國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)的研究人員已使用融合沉積建模（FDM）3D打印了新的晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需要任何支撐結(jié)構(gòu)。貝殼形的晶格結(jié)構(gòu)基于海膽的形態(tài)，該海膽具有機(jī)械穩(wěn)定性和承重能力。研究人員旨在在其印刷的格子結(jié)構(gòu)中模擬這些屬性，從而消除對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，以減少了印刷過(guò)程以及后續(xù)后處理步驟所需的材料，能量和時(shí)間。

海膽風(fēng)格的格子經(jīng)設(shè)計(jì)具有特定的剛度和能量吸收特性，并可能在最終用途的消費(fèi)產(chǎn)品（例如低成本鞋中底和滑雪靴）中具有潛在應(yīng)用。研究人員稱，這些格子還可以以輪胎和汽車防撞盒的形式，或者實(shí)際上是“任何其他吸收能量”的結(jié)構(gòu)，部署在汽車領(lǐng)域。

研究人員基于海膽殼的設(shè)計(jì)和蜂窩狀結(jié)構(gòu)中的緊密堆積結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建其晶格結(jié)構(gòu)。

圖片來(lái)自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

刪除不需要的支撐

使用FDM工藝印刷晶格結(jié)構(gòu)需要一種支撐結(jié)構(gòu)，以確保每個(gè)晶格元素都印刷無(wú)缺陷且沒(méi)有變形或下垂。然后在后處理步驟中通過(guò)機(jī)械或化學(xué)方法去除該支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用彈性材料（例如TPU）進(jìn)行打印時(shí)，必須使用相同的材料作為支撐，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性質(zhì)，幾乎不可能通過(guò)化學(xué)或機(jī)械手段從晶格中除去該支撐。大量的后處理工作，再加上首先要印刷支撐物所需的額外材料，能量和加工時(shí)間，促使研究人員著手設(shè)計(jì)可以通過(guò)FDM生產(chǎn)的穩(wěn)定的，自支撐的TPU晶格結(jié)構(gòu)。

研究人員還希望利用特殊的機(jī)械性能（例如剛度和能量吸收）在加載和卸載結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生不錯(cuò)的壓縮效果，以確保它們適用于鞋類和其他能量吸收應(yīng)用。中國(guó)東南大學(xué)的先前研究已經(jīng)著手創(chuàng)建一種算法，該算法使用FDM工藝，使用類似于格網(wǎng)的一致填充圖案，對(duì)更堅(jiān)固，更高效的對(duì)象進(jìn)行打印。在其他地方，加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種將3D打印的聚合物八邊形格子并入混凝土結(jié)構(gòu)中以用作加固材料的方法。晶格結(jié)構(gòu)顯著降低了結(jié)構(gòu)的整體重量，并且被證明與傳統(tǒng)水泥一樣具有承重能力。

使用Ultimaker FDM打印機(jī)和Ultimaker TPU燈絲打印標(biāo)本。圖片來(lái)自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

用FDM打印晶格

由于FDM 3D打印方法的運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本低，他們決定采用這種方法。他們希望通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高的打印速度來(lái)提高FDM流程的效率，并通過(guò)在打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)消除對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求來(lái)提高制造質(zhì)量。在FDM期間，當(dāng)晶格結(jié)構(gòu)具有陡峭的懸垂和平行的壁架時(shí)，將使用支撐。研究人員發(fā)現(xiàn)，為了打印自支撐格子，他們需要確保最大懸垂角為45度，并消除結(jié)構(gòu)的平行壁架。

所提出的晶格由實(shí)心支柱的互連網(wǎng)絡(luò)組成，這些實(shí)心支柱形成基本的構(gòu)建塊，然后可以以周期性結(jié)構(gòu)細(xì)分。該結(jié)構(gòu)基于受海膽圓頂啟發(fā)的蜂窩設(shè)計(jì)，該材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠有效地將壓縮應(yīng)力從圓頂表面轉(zhuǎn)移到其邊緣。這使結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，更穩(wěn)定，并且以前已在建筑設(shè)計(jì)中使用。用TPU燈絲在Flashforge Beaver 3和Ultimaker FDM 3D打印機(jī)上打印出幾種格子形式，單位格子尺寸為8x8x8mm。然后將單位晶格細(xì)分為直徑38mm，厚度16mm的圓柱體。

格結(jié)構(gòu)的印刷完成后，不需要任何后處理步驟，并且可以開(kāi)始測(cè)試晶格的機(jī)械性能。在（a）無(wú)支撐格子結(jié)構(gòu)，（b）BCC格子結(jié)構(gòu)和（c）EVA泡沫材料上執(zhí)行裝卸測(cè)試。圖片來(lái)自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

評(píng)估晶格結(jié)構(gòu)

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的3D打印無(wú)支撐格子結(jié)構(gòu)可以提高FDM 3D打印過(guò)程中用于定制零件的整體速度，而格子本身為制造具有廣泛體積，密度的零件提供了“巨大潛力”和大小。

目視檢查3D打印的格子時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)無(wú)瑕疵或破裂，證明可以為最終用途產(chǎn)品（例如中底和輪胎）制造無(wú)支撐格子結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出在循環(huán)載荷下幾乎恒定的能量返回。

據(jù)研究人員稱，就能量吸收和剛度而言，它們的結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于基準(zhǔn)的體心立方（BCC）晶格和乙烯醋酸乙烯酯（EVA）泡沫。另外，無(wú)支撐格子的印刷比用支撐印刷的時(shí)間少三小時(shí)，并且在大約11小時(shí)的后處理時(shí)間去除了。印刷格子的成本也比用支撐件印刷的同類結(jié)構(gòu)低三倍。

點(diǎn)評(píng)：展望未來(lái)，研究人員期望他們的無(wú)支撐格子結(jié)構(gòu)將被用于使用FDM開(kāi)發(fā)定制的運(yùn)動(dòng)鞋和滑雪靴中底。他們還將研究流速對(duì)使用固定噴嘴直徑打印格子的準(zhǔn)確性的影響。

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