美國兩大學利用3D打印開發(fā)新型可設計微觀多孔結構，對比傳統材料更輕應用廣泛

2022年4月27日,，南極熊獲悉,，普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員，受大自然早已存在的微觀孔隙啟發(fā),，研發(fā)了一種使用骨骼和木材等作為3D打印原材料,，可實現多孔結構的新技術。

△該團隊在骨頭,、木頭和動物角中發(fā)現的不同種類的微孔,，受此啟發(fā)。圖片來自普林斯頓大學

這種全新的結構,，據稱有著旋節(jié)線微結構的特殊孔,，特點是這些孔可以被設計和微調，以適用于各種零件和特殊性能,。另外,，使用這些多孔結構制造的物體，通常比完全密集的對應物更輕,，同時可提供定制的剛度和曲線,。

該團隊已經利用SLA 3D打印技術制作了幾個基于旋節(jié)微結構的零件原型,，包括面部植入物和輕型飛機發(fā)動機部件。

Trento大學教授 Davide Bigoni說：“該研發(fā)團隊找到了一種巧妙的技術方法,，可以在不同架構之間實現平滑過渡（無論制造什么）,，這是仿生學的終極目標�,！�

△該研究的更多細節(jié)可以在標題為《用于多尺度設計和制造的旋節(jié)線構架材料》的論文中找到,。（點我傳送門）

微觀發(fā)現，它們都有洞
許多自然界的結構材料,，如骨頭,、牛角和木材，都是高度多孔的,。除了使材料變輕外,，孔隙還可以具有特定的功能，比如允許液體通過,。對于骨骼來說,，微孔也有助于重塑過程，在外力的作用下,，微孔可以增加或減少骨骼的密度,。

因此，工程學如果可以模仿自然界的多孔結構,，就可以獲得質的提升,，但開發(fā)具有相似特性的合成材料非常具有挑戰(zhàn)性。

普林斯頓團隊在拓撲優(yōu)化技術的幫助下找到了解決方案,。在開發(fā)這項技術之前,，它們設想的目標是，可以修改具有不同尺寸,、形狀和方向的孔的微觀結構,，實現可以個性化定制目標。

具體來說,，該技術可以設計孔的形狀,，例如設計成球體、菱形,、柱形或扁豆形,。或者通過改變孔的形狀和方向,，可以加載具有不同剛度分布的材料,，同時可以改變孔的大小以控制材料的密度。

“這項新技術特別強大,，它將材料架構與不同規(guī)模的優(yōu)化相結合,，并且與增材制造可以完美配合,，”該項目的首席研究員Glaucio Paulino說�,！皬囊�(guī)�,；�的意義上說，它可以有著廣泛的應用,，因此它可以應用于納米和微觀技術,，以及中尺度和宏觀尺度結構�,！�

△受生物微觀多孔結構啟發(fā)的3D打印面部植入物,。圖片來自普林斯頓大學

面部植入物和飛機零件
為了測試他們微結構的性能，研究人員首先使用3D打印了面部骨骼植入物的原型,。傳統的材料通常采用金屬鈦制成,，但使用它們的微孔骨骼植入物，不僅結構更加輕量化,，還可使骨骼更好的相融，這是傳統的面部骨骼植入物與可定制旋節(jié)微結構不能對比的,。

在這種情況下,，研究小組將柱狀孔和扁豆形孔結合在一起，形成了一種足夠堅硬,，可以承受咀嚼力和可以促進骨骼生長的微孔植入物,。盡管測試部件用的是樹脂制成的原型，但它同樣適用于生物相容性材料進行3D打印,，未來會進一步進行測試,。

“更好的不是基礎材料。而是微觀特征,，”該研究的合著者Emily Sanders補充道,。“理論上,，我們可以用任何材料制造更加強大的結構——這里面的奧秘就是生物相容性材料,。”

該團隊還使用3D打印了一個微孔結構噴氣發(fā)動機支架：一個既堅固又輕便的航空關鍵部件,。同時,，該團隊能夠在整個3D打印零件中，從一個微觀結構到另一個微觀結構的平滑過渡,，通過理解生物孔隙原理,，而不會在微觀結構中產生薄弱點。未來可能會更適合應用于更強大的零件設計,。