(一)3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构-来自大自然的灵感

谷专栏仿生多孔结构具有特殊的机械特性,通常为高性能组件和设备的开发提供灵感。然而,传统的生产工艺往往无法精确再现仿生结构的错综复杂和精致的本质。

3D打印-增材制造技术为创造受生物过程启发的具有复杂图案的材料提供了途径。本期谷.专栏结合将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文,对不同类型的多孔结构进行分类,识别自然界中的各种物种,深入了解用于制造的各种增材制造工艺仿生多孔结构。为希望设计创新的轻质多孔复合材料结构并使用新兴技术研究其能量吸收特性的应用,带来一定的启示。

article_Bio_1原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004432?dgcid=rss_sd_all#

Valley_Nature多孔结构-来自大自然的灵感
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block 仿生学简介

仿生学一词最早由 Otto Schmitt 在 1950 年代引入,并被认为是研究生物产生的物质和材料的形成、结构或功能的专业方向,仿生设计基本上涉及将生物有机体的一些功能和特征融入到新材料、装置和结构中。防生力学结构已广泛用于许多能量吸收系统,例如汽车和火车的前部部件、飞机机翼和防御装甲。

Part_nTopology3D打印带螺旋结构的换热器
© nTopology

生物材料由于其独特的结构而具有韧性增强机制的特点。促使科学家进行生物结构研究的一个关键因素是了解它们的微观结构和性能之间的关系,这可以带来设计具有卓越性能的新一代轻质材料或结构。

具有高能量吸收能力的轻型结构在包括航空、交通、核工业和土木工程在内的各种技术领域越来越受欢迎。因此,近年来开发了各种不同设计的能量吸收器,包括柱结构、夹层结构、蜂窝、泡沫和光滑的细胞晶格结构等等。

Valley_Lattice点阵结构
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虽然轻型结构已经显示出很好的能量吸收能力,但它们还有待优化。为了提高工程系统的能量吸收能力,研究人员正试图从适应环境的生物结构中学习。

仿生学提供了模仿自然结构的方法,而3D打印-增材制造在设计和制造多材料、多尺度和多功能仿生结构方面提供了灵活性。AM-增材制造技术代表了一种具有成本效益的方法来制造使用传统方法难以制造的仿生学工程部件。

AM-增材制造技术以逐层方式控制详细结构和化学成分的基本能力使其成为模拟多孔生物材料结构的理想选择。仿生结构通常很复杂,无法通过经典制造技术进行制造。

尽管AM-增材制造技术距离达到生物系统的复杂性和精确度还有很长的路要走,但上述相似之处表明,增材制造可能是制造更复杂、功能更多的合成材料的最好方法。自然界中发现的各种各样的组织和材料表明可以通过增材制造多少种不同种类的合成异质结构。

通过增材制造,可以制造具有不同复杂程度和特征的合成异质材料。当然仿生材料的 3D 打印有几个限制,例如,3D 打印的分辨率、成本、质量、生产速度和制造多尺度结构是一些关键问题。

通过模仿自然来解决工程问题的主要方法有三种:

- 设计师可以模仿物理形式/结构,例如自洁荷叶的表面结构。

- 还可以模仿这个过程,例如蚂蚁如何交流以有效地寻找食物来源。

- 最后,设计师可以模仿生态系统,例如创建循环经济,制造设施中的生物产品不会进入垃圾填埋场,而是用于其他用途。

block 仿生多孔结构与设计材料

在众多的物种中,有许多几何结构具有高刚性、抗弯强度、耐磨性和疲劳强度等突出的力学性能。在这些几何设计的驱动下,可以制造出能够承受各种负载条件的高性能结构。蜂窝结构具有多孔特性,这意味着它们有可能用作坚固、轻质的组件。

Implants_Valley多孔结构-用于植入物
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通常,多孔与充满空气或流体的固体中的孔有关。每种生物物质在一定程度上都是多孔的,因为自然界中可能存在不同的形式和密度。多孔材料通常可以改善能量吸收,并具有减轻重量的额外好处。

多孔金属具有通过孔隙的塌缩和致密化来吸收冲击能量的机制。多孔结构在确定材料的抗冲击性、高弹性刚度和在恒定应力下承受大塑性变形的能力方面发挥着重要作用。材料对动态应力的反应受到其多孔特性的排列和分布的强烈影响。

仿生多孔结构本质上通常是二维或三维的。管状和蜂窝结构是二维结构的例子,因为重复单元格的图案仅在两个方向上延伸,这与泡沫、点阵等结构不同。

泡沫结构中的开孔结构仅在孔的边缘是固体,而闭孔结构具有孔表面的实心膜。开孔结构和闭孔结构具有相似的刚度,因为孔边缘承载大部分载荷。

根据3D科学谷,在3D打印应用领域,点阵结构被应用于多种场合,包括提高热交换器和散热器的热交换效率,提高阻尼材料的抗震缓冲能力,优化骨科植入物的生物学和力学性能,降低航空航天零件的重量等等。小点阵,大作用,点阵成为学习3D打印的MUST。市场上将开孔金属材料称为设计材料-Designed Materials。

与其他3D打印开孔结构(如晶格结构)相比,设计材料的优势是它们在可制造形状方面的自由度。通过3D打印-增材制造来制造设计材料的优势是构建率要高得多,因此速度更快。

这意味设计材料属性的精确可调节性意味着它们可以被修改以表现出不同的物理行为:例如,可以调整流速和机械性能,从而为每种应用生成最佳设计材料。

DM-设计材料还可以用于阻尼应用,可以解决不同类型的振荡,例如机械或声学振动。设计材料可以用于运动器械制造中的3D打印应用,核心逻辑是获得一种产品性能提升的新方式,包括:舒适度的提升,防护性能的提升,以及通过调整产品不同区域3D打印点阵的设计,来实现多功能、多性能的集成,从而实现产品的创新。不仅如此,体育品牌推出的极具颠覆性的3D打印产品,还为品牌带来了增值。

随机多孔结构(称为泡沫)涉及具有随机形状和不同尺寸分布的孔,尽管它们的孔隙分布是随机的,但可以通过计算机建模和数学算法为 AM-增材制造工艺来设计随机结构。

根据3D科学谷的市场观察,目前点阵结构的设计走向智能化设计的方向,点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候,例如仅在节点,横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程,抑制真正的创新,并扼杀企业保持竞争优势的能力。

Valley_Software_Updage点阵建模软件
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而设计软件所添加的智能化设计与修改功能,使得3D打印-增材制造可以在不同材料分布的帮助下根据负载和其他要求调整局部密度。此外,借助定制的数字材料,可以优化组件的重量、成本和生产时间。增材制造 (AM) 作为一项突破性的生产技术,由于其几何自由度和免模具生产,成为可以高效生产数字材料的工艺。

关注3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构,下一期,将进一步分享来自大自然的灵感:仿生多孔结构的分类。

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