3D打印超材料彈簧復(fù)合泡沫結(jié)構(gòu)為汽車緩沖領(lǐng)域開辟新時(shí)代

導(dǎo)讀：振動(dòng)減震是3D打印行業(yè)中一個(gè)新興領(lǐng)域。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)能夠讓從卡車到網(wǎng)球拍的各種產(chǎn)品更加舒適。3D打印座椅終于開始受到關(guān)注，汽車和自行車行業(yè)的公司都在探索這方面的可能性。數(shù)字化和可編程泡沫結(jié)構(gòu)正在引起關(guān)注，而超性能材料則為商業(yè)化開發(fā)提供了豐富的機(jī)會(huì)，可變密度緩沖技術(shù)無疑是其中的亮點(diǎn)。

相關(guān)研究進(jìn)展題為“用于隔振的復(fù)合泡沫超材料彈簧的增材制造/Additive Manufacturing of Composite Foam Metamaterial Springs forVibration Isolation”的論文被發(fā)表《Advanced 》期刊中，由Ali Zolfagharian，Peter Picken等人聯(lián)合撰寫，研究人員來自迪肯大學(xué)、諾丁漢特倫特大學(xué)和皇家墨爾本理工學(xué)院。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202300356

這項(xiàng)研究在工程優(yōu)化座椅方面創(chuàng)建了一個(gè)新的理念。他們利用低成本材料擠出 3D 打印機(jī)制作了超材料彈簧，通過“高靜態(tài)和低動(dòng)態(tài)剛度”實(shí)現(xiàn)卓越的隔振效果。將這些準(zhǔn)零剛度(QZS) 超材料嵌入常規(guī)聚氨酯泡沫座椅中，在測試過程中獲得了良好的性能。

但真正引人注目的是設(shè)計(jì)的簡單性和經(jīng)濟(jì)性。該團(tuán)隊(duì)沒有使用復(fù)雜的機(jī)器，而是通過使用廉價(jià)組件優(yōu)化結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。雖然不一定比傳統(tǒng)彈簧便宜，但結(jié)果應(yīng)該優(yōu)于傳統(tǒng)彈簧。以相對較低的成本自由設(shè)計(jì)這些新形狀可以為 3D 打印帶來巨大的收益�？紤]拉脹結(jié)構(gòu)或零泊松比 (ZPR)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)。通常，當(dāng)你拉伸橡皮筋時(shí)，它的中間會(huì)變薄。相反，拉脹材料或結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)相反，拉伸時(shí)變厚，壓縮時(shí)變薄。這些拉脹劑還以其出色的減振性能而聞名——在頭盔等產(chǎn)品中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究小組控制彈簧的彎曲行為以提高測試性能。他們設(shè)計(jì)了可插入常規(guī)泡沫座椅的圓柱形彈簧，3D 打印組件的受控“負(fù)剛度”彎曲行為提高了性能，同時(shí)仍然吸收能量。研究團(tuán)隊(duì)對常見的 TPU 長絲（例如 eSun、Ninjatek和 Recreus 的長絲）進(jìn)行了測試對比，同時(shí)對各種彈簧設(shè)計(jì)和材料進(jìn)行了選擇測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同材料的性能存在顯著差異。例如，Hobby King 的 UTS 是其他公司的四倍。該團(tuán)隊(duì)使用 100% 填充材料、0.4m 噴嘴、層高 0.2mm 進(jìn)行打印，并對細(xì)絲進(jìn)行干燥。綜合對比后，eSun 材料的可打印性和價(jià)格得到了認(rèn)可，他們選擇將其用于項(xiàng)目中。

一種特殊設(shè)計(jì)與泡沫搭配使用時(shí)具有最佳性能。不同的泡沫和彈簧組合在不同的測試周期中給出了不同的結(jié)果，一些組合在極端情況下表現(xiàn)更好，而另一些組合在中等負(fù)載情況下表現(xiàn)更好。調(diào)整彈簧的性能具有挑戰(zhàn)性，特別是因?yàn)樵谀承┣闆r下某些范圍內(nèi)存在不穩(wěn)定。在某些情況下，中等水平會(huì)帶來良好的性能，而高端影響則被認(rèn)為不太不舒服。

總的來說，3D 打印彈簧與普通泡沫結(jié)構(gòu)的組合優(yōu)于單獨(dú)的泡沫結(jié)構(gòu)。他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)彈簧可以并且應(yīng)該針對特定條件進(jìn)行優(yōu)化。這可能意味著，為特定的使用情況設(shè)計(jì)出最佳彈簧方案的人可能會(huì)獲得很大的價(jià)值。這還可能意味著，存在大規(guī)模定制或特定用途定制設(shè)計(jì)的真實(shí)場景。他們的研究還表明，不同的性能意味著特別是在大型車輛（如卡車和公共汽車）中出現(xiàn)的強(qiáng)烈振動(dòng)可能會(huì)通過這些彈簧得到特別調(diào)節(jié)。在這種情況下，3D打印解決方案可能會(huì)在中檔和高檔方案中表現(xiàn)得更好�？偟膩碚f，這是一個(gè)有前途的想法，而且制造成本似乎非常低廉。