美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學(xué)家設(shè)計了一種新型3D打印晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)綜合了超輕結(jié)構(gòu)和高剛度的優(yōu)勢，打破了之前認(rèn)為需要展示此類特性的Maxwell設(shè)計規(guī)則。他們?yōu)榇藢ｉT開發(fā)了一個設(shè)計軟件，使用他們編寫的拓?fù)鋬?yōu)化軟件，創(chuàng)建了兩個由微架構(gòu)桁架組成的獨特單胞設(shè)計，其中一個被設(shè)計為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

SEM觀察到的使用投影顯微立體光刻打印技術(shù)得到的經(jīng)典的八位元晶格和拓?fù)鋬?yōu)化,

各向同性扁圓以及準(zhǔn)球形八面體晶格。

“強大”決定于“微小”之間

具有隨機微結(jié)構(gòu)的材料,如泡沫材料,典型的呈現(xiàn)出低的機械強度,而設(shè)計的具有微結(jié)構(gòu)的格柵結(jié)構(gòu)則經(jīng)常表現(xiàn)出顯著的提高的剛性.這些周期性的架構(gòu)材料在早先已經(jīng)被通過一定的規(guī)則進行了設(shè)計，使用的是Maxwell準(zhǔn)則來確保他們的變形主要受他們的棱柱的拉伸所制約。

經(jīng)典的設(shè)計遵循這一規(guī)則時則傾向于各向異性，其剛性依賴于載荷的方向，但在最近，各向同性設(shè)計曾經(jīng)被報道在疊加互補各向異性晶格的時候得以實現(xiàn)。

打破早先的設(shè)計規(guī)則

來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人員設(shè)計了一類新的３D打印晶格結(jié)構(gòu)的材料，這一設(shè)計綜合了超輕和高剛性的優(yōu)勢，盡管這一設(shè)計打破了早先的設(shè)計規(guī)則所應(yīng)該具有的性質(zhì)。其中這一設(shè)計的結(jié)構(gòu)額外的還呈現(xiàn)出在不同的方向施加力的時候均可均勻的進行變形反應(yīng)。

LLNL的研究團隊將這一成果發(fā)表在頂刊《 Science Advances》上所描述的那樣，研究團隊在Seth Watts的領(lǐng)導(dǎo)下，使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件，設(shè)計出兩種獨特的單元細胞的晶格設(shè)計方案。其組成為微結(jié)構(gòu)桁架，其中一個設(shè)計成各向同性的材料性質(zhì)（即各個方位性質(zhì)均一致）。這些新的結(jié)構(gòu)被制造之后并進行了測試，研究發(fā)現(xiàn)其性能完勝八進制的棱柱結(jié)構(gòu)，這是一種用于３D打印晶格結(jié)構(gòu)時的一種標(biāo)準(zhǔn)的形狀。

楊氏模量同 單軸載荷狀態(tài)的方向（單元晶格的矢量）之間的關(guān)系

讓研究人員感到驚奇的是，其晶格柵架結(jié)構(gòu)看起來明顯違反了Maxwell準(zhǔn)則，這一準(zhǔn)則是一個結(jié)構(gòu)剛性的用于機械設(shè)計的處理辦法,該原則假設(shè)認(rèn)為結(jié)構(gòu)能夠承受的最大的有效載荷變形時只在拉伸的時候。在這一結(jié)構(gòu)中,剛性的大小同密度呈線性關(guān)系 —將材料結(jié)構(gòu)的重量減半的話只是將其剛性進行了減半,相反的是,結(jié)構(gòu)的剛性的有效性則會減少三分之一或者八分之一。這一線性的尺度使得創(chuàng)造出超輕，超剛性的機械超材料成為可能。

根據(jù)論文的聯(lián)合作者Watts，一直以來研究人員認(rèn)為Maxwell 準(zhǔn)則在應(yīng)用低密度的高剛性材料的時候是必要和充分的。LLNL的研究結(jié)果證明這一準(zhǔn)則不再是一個必要的前提條件。換言之，,這里存在大量的棱柱具有這一線性的尺度準(zhǔn)則。

這一工作表明這一新的設(shè)計理念將會得到以前認(rèn)為的所不能得到的更好的材料性能，因為這一設(shè)計理念違反了傳統(tǒng)的設(shè)計理念。LLNL研究人員發(fā)現(xiàn)，這一工作同時也證明了使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)之后，工程人員可以設(shè)計新的結(jié)構(gòu)來完勝采用傳統(tǒng)的設(shè)計理念所得到的材料的性能。

研究人員對不同密度的樣品進行了測試來觀察當(dāng)他們在不同的角度進行壓縮的時候會發(fā)生什么現(xiàn)象。實驗結(jié)果顛覆了經(jīng)典的八面體棱柱的設(shè)計理論。

研究人員稱各向同性的棱柱結(jié)構(gòu)可以拓展應(yīng)用于3D打印金屬和陶瓷，此外這對生物材料的應(yīng)用，如3D打印生物組織，需要進行可調(diào)制的剛性時是非常重要的。在航天領(lǐng)域也會找到這方面的應(yīng)用。在無人機中或戰(zhàn)斗機中，例如，需要減輕重量的場合具有雙重的意義，增加了設(shè)備的可操控性和減少了設(shè)備的慣性，使得其具有優(yōu)異的性能。

輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計同時還可以減輕制造成本，燃油消耗和減少材料的浪費。同時還擁有其他優(yōu)點，如對工程結(jié)構(gòu)來說可以具有更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。LLNL的長期研究目標(biāo)是轉(zhuǎn)向創(chuàng)造和使用LLNL最新的材料數(shù)據(jù)庫。

LLNL實驗室正在持續(xù)開展他們的工作，包括完全表征所制備材料的晶格結(jié)構(gòu)的物理特征，在超越其線性彈性模量的前提下，包括傳熱、非線性機械性能、振動和失效等情況下表征其物理特征。

將來用于超輕多孔結(jié)構(gòu)材料的一種平板的晶格結(jié)構(gòu)材料

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