賓夕法尼亞大學通過引入無序設計提升3D打印部件強度韌性2.6倍

2025年3月8日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞大學工程學院的研究人員通過在3D打印機械超材料中引入受控無序幾何設計，可以顯著提升材料的抗裂性能。

△三種具有不同無序程度的代表性設計。中間的設計平衡了有序性和無序性，以實現(xiàn)3D打印部件最大的韌性

機械超材料采用3D打印和激光切割等數(shù)字制造技術生產，具有強度和剛度增強等獨特性能。然而，它們的易碎性一直是一大限制。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調整內部幾何形狀而不是材料本身，韌性可以提高2.6倍。

△相關研究已發(fā)表在美國國家科學院院刊Nexus上，題目為“無序增強了二維機械超材料的斷裂韌性”（傳送門）

大自然常常利用結構無序性來提升材料的耐久性，例如在骨頭、珍珠層（即貝殼內壁的彩虹層）以及貽貝足絲中都能找到這種策略。受這些生物材料的啟發(fā)，賓夕法尼亞大學的研究人員對3D打印機械超材料中的無序結構進行了深入測試。他們從標準的三角形晶格結構出發(fā)，通過系統(tǒng)地調整三角形節(jié)點的交點位置，探索了不同程度的無序性對材料性能的影響。

△賓夕法尼亞大學工程學院教授Fulco（右）和Turner（左）展示了他們如何利用光來評估機械應力對超材料的影響

無序幾何設計提高3D打印部件強度

論文的主要作者Sage Fulco解釋道：“表現(xiàn)最好的樣品，裂縫最難擴展，并不是由規(guī)則的重復圖案組成。這種設計方法模仿了骨頭和珍珠母等天然材料，它們利用微觀不規(guī)則性來實現(xiàn)更高的彈性。

研究團隊使用激光切割的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 樣品測試了他們的概念，并進行了數(shù)千次計算模擬。他們的研究結果表明，雖然無序結構的強度略有降低（≤25%），但它們保持了與傳統(tǒng)有序晶格相似的剛度水平，同時顯著提高了抗裂性。

研究人員利用光彈性成像觀察到，無序晶格中的裂紋會蔓延到更廣泛的區(qū)域，而不是沿著有序結構中常見的直線路徑。這種分布式損傷模式有助于解釋不規(guī)則設計的增強韌性。

△與結構更嚴謹?shù)脑O計（頂部）相比，無序性更強的設計（底部）更不容易破裂，紅點的分散性就是明證

與傳統(tǒng)的增韌方法相比，這種新方法具有實用優(yōu)勢，因為它僅依賴于幾何修改，而不是材料添加或特殊涂層。賓夕法尼亞大學工程學院教授Kevin Turner表示，雖然無序系統(tǒng)帶來了更復雜的設計挑戰(zhàn)，但它們可以使用3D打印和激光切割等現(xiàn)有的制造方法來實現(xiàn)。

賓夕法尼亞大學工程學院的最新研究為機械超材料在諸如航空航天等對韌性要求極高的行業(yè)中的廣泛應用奠定了基礎。通過借鑒天然材料的原理，工程師們現(xiàn)在能夠設計出既強韌又具有彈性的結構。研究人員期望他們的發(fā)現(xiàn)能夠激發(fā)材料科學領域對無序模式的進一步探索，從而為現(xiàn)實世界應用帶來更強大、更具適應性的材料。

總的來說，這一發(fā)現(xiàn)為3D打印材料的耐用性提升開辟了新的道路，尤其重要的是，這一進步是在不改變材料基本成分的前提下實現(xiàn)的。