新型仿生微結(jié)構(gòu)為3D打印骨植入物和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)鋪平道路

魔猴君  行業(yè)資訊   876天前

普林斯頓大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種受大自然啟發(fā)的全新多孔結(jié)構(gòu)——它可以進(jìn)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(chēng)為旋節(jié)線(xiàn)微結(jié)構(gòu)的特殊孔，這些孔可以被修改和微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)各種零件性能和行為。包含這些旋節(jié)線(xiàn)微結(jié)構(gòu)的物體通常比完全密集的對(duì)應(yīng)物更輕，同時(shí)提供可定制的剛度曲線(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用 SLA 3D 打印技術(shù)制作了幾個(gè)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。特倫托大學(xué)教授 Davide Bigoni 說(shuō)：“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(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)渡。這是仿生的終極概念，因?yàn)樗凶匀唤Y(jié)構(gòu)都形成了連續(xù)的系統(tǒng)。這是自古以來(lái)就知道的事實(shí)——‘natura non facit saltus’——自然不會(huì)跳躍。”

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

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(guò)。在骨骼的情況下，毛孔也有助于重塑過(guò)程，該過(guò)程可以增加或減少骨骼的密度，以響應(yīng)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(kāi)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(tuán)隊(duì)在拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的幫助下跨越了這一障礙。這項(xiàng)工作基于一個(gè)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(lái)說(shuō)，孔的形狀可以像球體、菱形、柱形或扁豆形。通過(guò)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(shí)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(qiáng)大的技術(shù)，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(xiàng)目的首席研究員 Glaucio Paulino 說(shuō)。 “從規(guī)模化的意義上說(shuō)，它可以有廣泛的應(yīng)用，因此它可以應(yīng)用于納米和微觀技術(shù)，以及中尺度和宏觀尺度?！?/span>

面部植入物和飛機(jī)零件

為了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試他們新設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jiān)硬以承受咀嚼力和足夠多孔以促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的植入物。盡管該部件是用樹(shù)脂制成的原型，但它也可以用生物相容性材料進(jìn)行 3D 打印，以用于最終用例?！案玫牟皇腔A(chǔ)材料。更好的是微觀特征，”該研究的合著者 Emily Sanders 補(bǔ)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。”

該團(tuán)隊(duì)還 3D 打印了一個(gè)旋節(jié)線(xiàn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)支架：一個(gè)既堅(jiān)固又輕便的關(guān)鍵飛機(jī)部件。在這種情況下，該團(tuán)隊(duì)能夠在整個(gè)零件中 3D 打印從一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)到另一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)的平滑過(guò)渡，連接孔隙網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)在微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生薄弱點(diǎn)。這最終導(dǎo)致了更適合應(yīng)用的更強(qiáng)大的零件設(shè)計(jì)。

受生物啟發(fā)的 3D 打印面部植入物。圖片來(lái)自普林斯頓大學(xué)。

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(xué)院的一個(gè)研究項(xiàng)目研究了如何將折紙藝術(shù)的原理與 3D 打印結(jié)合使用來(lái)設(shè)計(jì)能夠改變形狀的輕質(zhì)靈活結(jié)構(gòu)。 預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將應(yīng)用于從 3D 打印多功能機(jī)器人到變形橋和天線(xiàn)等可折疊射頻組件的所有領(lǐng)域。

在其他地方，弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員此前從空氣馬鈴薯植物（薯蕷）的傳播機(jī)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(jìn)行自我調(diào)整的可穿戴醫(yī)療設(shè)備。 印刷系統(tǒng)可以預(yù)先編程，以便在暴露于濕氣時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

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