閩都創新實驗室3D打印仿生結構研究獲新進展

時間:2023-05-06 字體【 | |

        具有復合特征的仿生結構因其獨特的機械性能,為各種工程應用開發設計具有優異性能的結構提供了絕佳的設計思路。然而,在仿生制造和設計這些復雜精細結構時,在模具成型和復雜結構驗證等方面常常受到加工條件限制。3D打印可快速制造各種復雜結構,為仿生結構的設計、制造和驗證提供了新方法。

圖:仿生a)兼具剛硬和韌性結構來設計b)分級彎曲和拉伸主導的混合晶格結構

        在閩都創新實驗室自主部署關鍵技術攻關項目和福建省“揭榜掛帥”重大專項的支持下,閩都創新實驗室吳立新研究員團隊面向輕量化3D打印結構在鞋業、汽車等領域的應用開展研究。受自然界生物結構兼具剛度和柔韌性的特征啟發,通過分級彎曲和拉伸主導的結構來設計混合架構的晶格。隨后,使用純樹脂及高二氧化硅固含的復合材料,通過3D打印方式制備了以上晶格結構,并將其結果與理論分析數據進行比較以驗證設計合理性。結果表明,該結構設計比單一晶格拓撲結構的模量和應變能量密度提高了7倍。添加填料進一步將結構的剛度提高12倍以上,且減少了結構屈曲。另外,還評估了帶有石墨烯基涂層表面的混合晶格設計特性。所設計的晶格結構具有良好的彈性恢復能力,同時功能化特性也得到了拓展。相關工作發表在國際期刊Additive Manufacturing, 2023, 66, 103451,外籍博士生Naveen Thirunavukkarasu為該論文的第一作者,翁子驤高級工程師和吳立新研究員為通訊作者。 
        之前,Naveen Thirunavukkarasu還將3D打印用于防滑鞋底設計(Tribology International, 2022,175, 107823)。仿照樹蛙等動物的足底結構進行仿生設計,結合材料研發和有限元計算,通過3D打印獲得在潮濕表面仍具良好摩擦力的結構。以上研究結果表明,3D打印可用于具有優異性能的仿生結構制造和驗證。 
        文章鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103451


(吳立新研發團隊供稿)

 

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