賓夕法尼亞大學通過引入無序設計提升3D打印部件強度韌性2.6倍

賓夕法尼亞大學工程學院的研究人員通過在3D打印機械超材料中引入受控無序幾何設計，可以顯著提升材料的抗裂性能。

機械超材料采用3D打印和激光切割等數字制造技術生產，具有強度和剛度增強等獨特性能。然而，它們的易碎性一直是一大限制。研究人員發現，通過調整內部幾何形狀而不是材料本身，韌性可以提高2.6倍。

大自然常常利用結構無序性來提升材料的耐久性，例如在骨頭、珍珠層（即貝殼內壁的彩虹層）以及貽貝足絲中都能找到這種策略。受這些生物材料的啟發，賓夕法尼亞大學的研究人員對3D打印機械超材料中的無序結構進行了深入測試。他們從標準的三角形晶格結構出發，通過系統地調整三角形節點的交點位置，探索了不同程度的無序性對材料性能的影響。

無序幾何設計提高3D打印部件強度

論文的主要作者Sage Fulco解釋道：“表現最好的樣品，裂縫最難擴展，并不是由規則的重復圖案組成。這種設計方法模仿了骨頭和珍珠母等天然材料，它們利用微觀不規則性來實現更高的彈性。

研究團隊使用激光切割的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 樣品測試了他們的概念，并進行了數千次計算模擬。他們的研究結果表明，雖然無序結構的強度略有降低（≤25%），但它們保持了與傳統有序晶格相似的剛度水平，同時顯著提高了抗裂性。

研究人員利用光彈性成像觀察到，無序晶格中的裂紋會蔓延到更廣泛的區域，而不是沿著有序結構中常見的直線路徑。這種分布式損傷模式有助于解釋不規則設計的增強韌性。

與傳統的增韌方法相比，這種新方法具有實用優勢，因為它僅依賴于幾何修改，而不是材料添加或特殊涂層。賓夕法尼亞大學工程學院教授Kevin Turner表示，雖然無序系統帶來了更復雜的設計挑戰，但它們可以使用3D打印和激光切割等現有的制造方法來實現。

賓夕法尼亞大學工程學院的最新研究為機械超材料在諸如航空航天等對韌性要求極高的行業中的廣泛應用奠定了基礎。通過借鑒天然材料的原理，工程師們現在能夠設計出既強韌又具有彈性的結構。研究人員期望他們的發現能夠激發材料科學領域對無序模式的進一步探索，從而為現實世界應用帶來更強大、更具適應性的材料。

總的來說，這一發現為3D打印材料的耐用性提升開辟了新的道路，尤其重要的是，這一進步是在不改變材料基本成分的前提下實現的。

來源：南極熊