3D打印的沖浪板：6種不同的仿生結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)最強

如今，3D打印技術(shù)在運動器材制造方面的應用案例越來越多，比如南極熊之前報道過的3D打印頭盔、自行車鞍座等等。

2020年3月16日，南極熊從外媒獲悉，國外的研究人員開始利用3D打印技術(shù)制造特殊性能的水上運動板。他們的研究最近發(fā)表在論文“具有生物啟發(fā)性核心設計的3D打印水上運動板”中，通過使用3D打印和不同的生物啟發(fā)性結(jié)構(gòu)（例如蜂窩）來推進水上運動板的設計。

△（a）天然蜂窩結(jié)構(gòu)； （b）受自然啟發(fā)而設計的水上運動板的蜂窩芯。

在之前有關3D打印水上運動板的研究中，研究人員主要關注其幾何外形，僅對外形進行了少量修改。而本文我們要介紹的這個研究小組實際上更關注內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計。

他們使用FDM 3D打印機和PLA材料來制作第一個樣品，通過CATIA V5軟件來設計均勻的蜂窩結(jié)構(gòu)。

大多數(shù)的水上運動板采用三明治結(jié)構(gòu)，其中薄的外殼覆蓋著泡沫制成的內(nèi)芯，從而提高了浮力和穩(wěn)定性，減輕了重量，并提高了抗彎曲性。這些結(jié)構(gòu)通常具有頂部外殼，輕質(zhì)內(nèi)核和底部外殼，但是此板將底部外殼與內(nèi)核合并在一起。

研究人員在文中寫道：“他們已經(jīng)設計了水上運動板的較小尺寸版本，寬度為48 mm，長度為144 mm，兩側(cè)的曲率半徑為357 mm。 考慮了600 mm的底部曲率，從而使模型更接近真實模型。 六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)形成了木板的核心。

蜂窩為3毫米寬，并形成1毫米厚的壁，而底殼和頂殼的厚度分別為5毫米和1.5毫米。 該團隊使用XYZprinting da Vinci 1.0 Pro 3D打印機制作具有均勻蜂窩結(jié)構(gòu)的樣品板。

（a）木板的兩個單獨的3D打印部分； （b）用強力粘合劑將兩部分粘合在一起。

沖浪板的斷裂經(jīng)常發(fā)生在沖浪板的中間部位，即沖浪者的雙腳之間。 通常，發(fā)生這種情況的原因是，沖浪者掉入水中后，波浪撞擊到中間并將其撕成兩部分，或者沖浪者的腳太靠近并把身體的壓力集中在中間。

研究人員解釋說：“在這兩種情況下，巨大的力作用在板的中部，導致很大的彎曲應力，可能導致斷裂�！薄坝捎谶@兩種斷裂都是由彎曲應力引起的，因此可以采用機械三點彎曲測試來確定這種載荷下板的強度�！�

△經(jīng)過三點彎曲試驗的蜂窩結(jié)構(gòu)均勻的木板

該小組在三點載荷下測試了蜂窩板，應變速率為0.001 s-1的測試是在室溫下，兩個支架之間相距80毫米的情況下進行的。 進行了位移控制測試，以使彈性范圍內(nèi)的最大撓度達到4 mm。

△I形梁和等效截面的木板用橙色線表示

為了驗證這些結(jié)果，并在測試下對結(jié)構(gòu)的變形進行建模，研究人員開發(fā)了一種“幾何線性分析方法”，使用等效X形截面，其X軸的幾何剛度發(fā)生變化，以模擬蜂窩結(jié)構(gòu)。 然后，基于ABAQUS軟件的幾何非線性有限元方法在三點彎曲試驗下模擬了具有各種不同芯結(jié)構(gòu)的板。

△有限元方法模型的邊界條件

模擬了彎曲測試以驗證FEM模型，并且團隊進行了網(wǎng)格敏感性分析以確保數(shù)值結(jié)果準確。 然后，他們對蜂窩芯的樣品板進行了相同的測試，最大撓度為4 mm。 在板的中間發(fā)現(xiàn)的最大應力約為40 MPa，該應力足夠低，可以將板“保持在所需的彈性區(qū)域”。

△馮·米塞斯（Von Mises）用均勻的蜂窩狀芯板

研究人員解釋說：“PLA板在高達300 N的力下顯示出線性彈性變形，超過此力，材料會屈服，然后在500 N之后表現(xiàn)出平穩(wěn)的塑性變形�！�

△蜂窩板和完全填充板的三點彎曲試驗的實驗，數(shù)值和分析載荷-撓度曲線的比較

一旦團隊驗證了蜂窩狀核心結(jié)構(gòu)板的幾何非線性FEM模型，他們就會模擬底殼核心的其他圖案。使用幾何非線性FEM軟件包ABAQUS進行三點彎曲測試，同時使板的總體積保持恒定，這有助于他們找到具有最大抗彎曲性的結(jié)構(gòu)。

他們測試的不同結(jié)構(gòu)包括：

●六邊形（HR）結(jié)構(gòu)
●三角蜂窩結(jié)構(gòu)
●六角碳晶格
●松果和向日葵啟發(fā)的樣式
●蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的圖案
●功能分級（FG）蜂窩結(jié)構(gòu)

研究人員寫道：“對于所有結(jié)構(gòu)，都進行了網(wǎng)格收斂研究，并為FEM模型選擇了適當數(shù)量的元素。此外，所有具有不同核心結(jié)構(gòu)的電路板的最大應力都顯示出最大應力低于PLA材料的屈服應力�！�

（a）具有兩個8號和13號相反方向的螺旋形的松果體； （b）斐波那契螺旋形向日葵； （c）采用斐波那契螺旋設計的松果形結(jié)構(gòu)。

他們發(fā)現(xiàn)，具有FG蜂窩結(jié)構(gòu)的板在500 N力下的彎曲性能最佳，實際上比具有均勻蜂窩結(jié)構(gòu)的板好31％。 這意味著它可以承受最大的力，而不是像其余結(jié)構(gòu)一樣承受中間力。

研究人員總結(jié)說：“由于文獻中缺乏相似的設計和結(jié)果，因此，本文有望推動水上運動板的發(fā)展，并為設計人員提供可以增強運動設備性能的結(jié)構(gòu)�！�


編譯自：3dprint