浙大科學(xué)家受烏賊啟發(fā)開(kāi)3D打印抗沖擊仿生結(jié)構(gòu)
魔猴君 行業(yè)資訊 1368天前
中國(guó)浙江大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一套具有獨(dú)特能量吸收能力的新型仿生細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)。受烏賊堅(jiān)硬而靈活的骨架啟發(fā),科學(xué)家的3D打印模型被證明具有超強(qiáng)的抗壓能力,能夠承受高達(dá)自身重量20,000倍的變形。將來(lái),該團(tuán)隊(duì)相信他們的設(shè)計(jì)可以復(fù)制到其他地方,以開(kāi)發(fā)新型的輕質(zhì)耐沖擊材料,其應(yīng)用范圍從航空航天建造到裝甲板。
科學(xué)家在論文中說(shuō):“具有最佳性能的類似烏賊骨的蜂窩材料非常適合在許多領(lǐng)域中應(yīng)用,例如飛機(jī),防彈衣,輕型車輛和建筑材料。除了常規(guī)的機(jī)械超材料以外,它們還為機(jī)械效率高的細(xì)胞結(jié)構(gòu)提供了新的生物學(xué)設(shè)計(jì)。”
受自然啟發(fā)的3D打印
自然世界充滿了竹,輕木和某些動(dòng)物骨頭等材料的示例,這些材料超輕便,但具有極其耐用的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。不過(guò),就剛性而言,墨魚(yú)具有特別出色的多孔骨架,通過(guò)改變不同深度的浮力,它能夠抵抗深海環(huán)境中的巨大靜水壓力。
為了確定墨魚(yú)變形能力的精確來(lái)源,科學(xué)家因此選擇對(duì)墨魚(yú)標(biāo)本進(jìn)行微CT掃描。在壓縮狀態(tài)下,研究小組發(fā)現(xiàn)樣品從一層到另一層連續(xù)破裂,但是當(dāng)頂層受到破壞時(shí),其底層仍然完好無(wú)損,這種機(jī)制旨在保護(hù)烏賊免受掠奪性攻擊。
更重要的是,研究人員還發(fā)現(xiàn)了天然存在的文石礦物在海洋生物防御機(jī)制中的作用,以及其整體S形片狀結(jié)構(gòu)。利用這些信息,在隨后的實(shí)驗(yàn)中,研究小組著手建立了具有刀骨狀架構(gòu)的3D打印蜂窩材料,從而最好地模仿了真品的形狀和形成。
烏賊骨骼布局的SEM和micro-CT圖像。圖片來(lái)自“高級(jí)材料”期刊。
耐沖擊仿生模型
為了更深入地評(píng)估烏賊骨的力學(xué),科學(xué)家3D打印了五種仿生布局:八角形桁架格,開(kāi)爾文泡沫,陀螺結(jié)構(gòu),開(kāi)爾文三明治和蜂窩狀三明治板。每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有在真實(shí)墨魚(yú)中看到的層的簡(jiǎn)化版本,相互連接的墻壁模仿了它們的有機(jī)元素。在早期測(cè)試中,所有聚合物原型都在壓縮狀態(tài)下彎曲,但研究小組發(fā)現(xiàn),標(biāo)本壁的形狀對(duì)其抵抗力產(chǎn)生了巨大影響。實(shí)際上,與其他常規(guī)形狀的零件相比,科學(xué)家們不得不向類似烏賊骨的原型施加更大的壓力,以使它們從側(cè)面倒塌。
在這些最初發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,研究人員隨后配制了一系列細(xì)胞材料,可以更好地模仿烏賊骨的結(jié)構(gòu)和機(jī)械行為。與傳統(tǒng)的聚合物泡沫相比,這些原型的能量吸收提高了20到25倍,并且最終證明它們能夠在不損失結(jié)構(gòu)完整性的情況下被整輛汽車碾磨。研究結(jié)束時(shí),研究小組強(qiáng)調(diào)了3D打印如何為他們提供釋放仿生材料潛力所需的設(shè)計(jì)自由度,并建議未來(lái)使用陶瓷或金屬,可以制造出具有更大抵抗力的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)品質(zhì)。
研究人員在論文中總結(jié)道:“具有輕質(zhì),高強(qiáng)度和出色的能量吸收能力,這種受生物啟發(fā)的細(xì)胞材料可能會(huì)在航空航天結(jié)構(gòu)和可植入設(shè)備等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。我們的研究突出了通過(guò)生物啟發(fā)的3D打印進(jìn)行高性能細(xì)胞材料設(shè)計(jì)和工程的可能性?!?/span>
承重晶格的研究進(jìn)展
盡管網(wǎng)格3D打印部件的高強(qiáng)度重量比在行業(yè)內(nèi)是眾所周知的,但科學(xué)家們?nèi)栽诶^續(xù)尋找產(chǎn)生新穎設(shè)計(jì)的方法。與浙江科學(xué)家一樣,臺(tái)灣科技大學(xué)的研究人員也采用了海洋啟發(fā)的方法來(lái)創(chuàng)建一種新型的承重材料。根據(jù)海膽的形態(tài),該團(tuán)隊(duì)的機(jī)械穩(wěn)定FDM燈絲在打印過(guò)程中不需要使用任何支撐結(jié)構(gòu)。
同樣,菲尼克斯分析與設(shè)計(jì)技術(shù)公司也獲得了美國(guó)航天局的755,000美元資助,以幫助開(kāi)發(fā)更堅(jiān)固,更輕的結(jié)構(gòu),以便在太空探索中使用。具體來(lái)說(shuō),該公司已獲得研究資助,以創(chuàng)建一種軟件工具,用于設(shè)計(jì),測(cè)試和3D打印堅(jiān)固,輕巧,受生物啟發(fā)的航空航天格子。
在其他地方,加州大學(xué)伯克利分校的工程師展示了將3D打印的聚合物八邊形格子結(jié)合到混凝土結(jié)構(gòu)中的好處。通過(guò)將塑料整合到他們的印刷材料中,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以減輕承重結(jié)構(gòu)的重量,而不會(huì)降低其耐用性。
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