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在建筑上的材料强很多的3D打印材料诞生了

2018-11-26

任何事物都有它的两面性都有优缺点,3D打印也不例外。而3D打印中一个十分常见的缺点就是用它生产出来的部件其强度比不上传统制造业生产的部件强。不过伴随着3D打印材料和技术的不断进步,3D打印的零部件也展现出来独有的强度、耐用性已经和传统技术制造出来的部件旗鼓相当,甚至还超越了传统制造。现在位于来自美国威斯康星州的首府麦迪逊的威斯康星大学麦迪逊分校的研究员已经开发出了必其他用在建筑上的材料强很多的3D打印材料。


工程物理学教授Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger 3D打印了一种材料,其行为与Cosserat弹性理论一致,也被称为微极弹性。在高压力环境下分析其物理性能时,物质底层结构中的理论因素。Lakes和Rueger使用该理论设计了一种聚合物晶格,其弯曲刚度比经典弹性理论预测的高30倍。晶格由排列成重复十字交叉设计的聚合物带组成,可以增加强度和耐用性。

“如果你的材料中有底层结构,比如一些泡沫、格子和纤维增强材料,那么它比经典弹性理论能够处理的自由度更大,”Lakes说。“所以我们正在研究材料的自由行为,而不是标准理论所预期的方式。”


材料自由打开了创造不受压力集中影响的新材料的“大门”,即比任何其他材料都更加坚韧。实际应用可能包括使飞机机翼更加抗裂。如果飞机机翼出现裂缝,应力集中在裂缝周围,使机翼更弱。


“你需要一定的压力来打破某些东西,但如果它有裂缝,你可以用较小的压力来打破它,”Lakes说。


然而,Cosserat理论产生了压力分布不同的材料,使其变得更加困难。这种行为可以在骨头以及某些类型的泡沫中看到。但是,当制作泡沫座垫时,工程师对泡沫的底层结构没有太多的控制,因此他们对调整Cosserat效果的能力有限。


然而,Lakes和Rueger可以在其3D打印材料中调整Cosserat效果,使其非常强大。


“我们开发了一种材料,我们对晶格的精细结构进行了非常详细的控制,这使我们能够在弯曲和扭转材料时获得非常强大的效果,”Lakes说。


大多数建筑物都是根据经典弹性理论设计的,如建筑物、飞机、桥梁和电子设备-但这种基于Cosserat理论的新型设计可以产生出众的材料。通过3D打印材料,工程师可以更好地控制其性能和结构,这可能会导致一种新的建筑方式,或者至少可以设计某些部件,比方说前述的飞机机翼。


Rueger和Lakes发表了题为“横向各向同性聚合物晶格中的强Cosserat弹性”的论文。


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