普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員設計了一種受大自然啟發(fā)的全新多孔結(jié)構(gòu)——它可以進行3D打印。這種新穎的結(jié)構(gòu)基于骨骼和木材等材料，具有稱為旋節(jié)線微結(jié)構(gòu)的特殊孔，這些孔可以被修改和微調(diào)，以實現(xiàn)各種零件性能和行為。包含這些旋節(jié)線微結(jié)構(gòu)的物體通常比完全密集的對應物更輕，同時提供可定制的剛度曲線。

該團隊已經(jīng)利用 SLA 3D 打印技術制作了幾個基于旋節(jié)微結(jié)構(gòu)的零件原型，包括面部植入物和輕型飛機發(fā)動機部件。特倫托大學教授 Davide Bigoni 說：“作者找到了一種巧妙的方法，可以在不同架構(gòu)的區(qū)域之間實現(xiàn)連續(xù)過渡。這是仿生的終極概念，因為所有自然結(jié)構(gòu)都形成了連續(xù)的系統(tǒng)。這是自古以來就知道的事實——‘natura non facit saltus’——自然不會跳躍?！?/span>

在骨頭、木頭和角中發(fā)現(xiàn)的不同種類的毛孔。圖片來自普林斯頓大學。

許多自然界的結(jié)構(gòu)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，例如允許流體通過。在骨骼的情況下，毛孔也有助于重塑過程，該過程可以增加或減少骨骼的密度，以響應力。因此，工程界可以從模仿自然界的多孔材料中受益匪淺，但開發(fā)具有相似特性的合成材料在歷史上一直非常具有挑戰(zhàn)性。普林斯頓團隊在拓撲優(yōu)化技術的幫助下跨越了這一障礙。這項工作基于一個基本前提，即您可以修改具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微觀結(jié)構(gòu)，這最終意味著可以定制性能。

具體來說，孔的形狀可以像球體、菱形、柱形或扁豆形。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。“我們擁有一種非常強大的技術，它將材料架構(gòu)與不同規(guī)模的優(yōu)化相結(jié)合，并與增材制造相結(jié)合，”該項目的首席研究員 Glaucio Paulino 說。 “從規(guī)?；囊饬x上說，它可以有廣泛的應用，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?！?/span>

面部植入物和飛機零件

為了現(xiàn)場測試他們新設計的微結(jié)構(gòu)，研究人員首先 3D 打印了面部骨骼植入物的原型。骨植入物通常由多孔鈦制成，以支持骨整合，從而使骨骼長入植入物的孔中。但是傳統(tǒng)的植入物不能提供與旋節(jié)微結(jié)構(gòu)相同的可定制性。

在這種情況下，研究小組將圓柱孔和扁豆形孔結(jié)合在一起，制成了一種足夠堅硬以承受咀嚼力和足夠多孔以促進骨骼生長的植入物。盡管該部件是用樹脂制成的原型，但它也可以用生物相容性材料進行 3D 打印，以用于最終用例?！案玫牟皇腔A材料。更好的是微觀特征，”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支架——最合適的是探索生物相容性材料?！?/span>

該團隊還 3D 打印了一個旋節(jié)線噴氣發(fā)動機支架：一個既堅固又輕便的關鍵飛機部件。在這種情況下，該團隊能夠在整個零件中 3D 打印從一個微觀結(jié)構(gòu)到另一個微觀結(jié)構(gòu)的平滑過渡，連接孔隙網(wǎng)絡，而不會在微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生薄弱點。這最終導致了更適合應用的更強大的零件設計。

受生物啟發(fā)的 3D 打印面部植入物。圖片來自普林斯頓大學。

正如我們之前多次看到的那樣，增材制造可以極大地受益于模仿已經(jīng)存在的自然或其他結(jié)構(gòu)。 就在本月，佐治亞理工學院的一個研究項目研究了如何將折紙藝術的原理與 3D 打印結(jié)合使用來設計能夠改變形狀的輕質(zhì)靈活結(jié)構(gòu)。 預計這項工作將應用于從 3D 打印多功能機器人到變形橋和天線等可折疊射頻組件的所有領域。

在其他地方，弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員此前從空氣馬鈴薯植物（薯蕷）的傳播機制中獲得了靈感，用于 4D 打印可根據(jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)進行自我調(diào)整的可穿戴醫(yī)療設備。 印刷系統(tǒng)可以預先編程，以便在暴露于濕氣時執(zhí)行復雜的運動。

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