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LLNL开发超轻和超硬的3D打印晶格结构

魔猴君  行业资讯   22天前

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美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家设计了一种新型3D打印晶格结构,这种结构综合了超轻结构和高刚度的优势,打破了之前认为需要展示此类特性的Maxwell设计规则。他们为此专门开发了一个设计软件,使用他们编写的拓扑优化软件,创建了两个由微架构桁架组成的独特单胞设计,其中一个被设计为具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

SEM观察到的使用投影显微立体光刻打印技术得到的经典的八位元晶格和拓扑优化,

各向同性扁圆以及准球形八面体晶格。

“强大”决定于“微小”之间

具有随机微结构的材料,如泡沫材料,典型的呈现出低的机械强度,而设计的具有微结构的格栅结构则经常表现出显著的提高的刚性.这些周期性的架构材料在早先已经被通过一定的规则进行了设计,使用的是Maxwell准则来确保他们的变形主要受他们的棱柱的拉伸所制约。

经典的设计遵循这一规则时则倾向于各向异性,其刚性依赖于载荷的方向,但在最近,各向同性设计曾经被报道在叠加互补各向异性晶格的时候得以实现。

打破早先的设计规则

来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) )的研究人员设计了一类新的3D打印晶格结构的材料,这一设计综合了超轻和高刚性的优势,尽管这一设计打破了早先的设计规则所应该具有的性质。其中这一设计的结构额外的还呈现出在不同的方向施加力的时候均可均匀的进行变形反应。

LLNL的研究团队将这一成果发表在顶刊《 Science Advances》上所描述的那样,研究团队在Seth Watts的领导下,使用拓扑优化软件,设计出两种独特的单元细胞的晶格设计方案。其组成为微结构桁架,其中一个设计成各向同性的材料性质(即各个方位性质均一致)。这些新的结构被制造之后并进行了测试,研究发现其性能完胜八进制的棱柱结构,这是一种用于3D打印晶格结构时的一种标准的形状。

杨氏模量同 单轴载荷状态的方向(单元晶格的矢量)之间的关系

让研究人员感到惊奇的是,其晶格栅架结构看起来明显违反了Maxwell准则,这一准则是一个结构刚性的用于机械设计的处理办法,该原则假设认为结构能够承受的最大的有效载荷变形时只在拉伸的时候。在这一结构中,刚性的大小同密度呈线性关系 —将材料结构的重量减半的话只是将其刚性进行了减半,相反的是,结构的刚性的有效性则会减少三分之一或者八分之一。这一线性的尺度使得创造出超轻,超刚性的机械超材料成为可能。

根据论文的联合作者Watts,一直以来研究人员认为Maxwell 准则在应用低密度的高刚性材料的时候是必要和充分的。LLNL的研究结果证明这一准则不再是一个必要的前提条件。换言之,,这里存在大量的棱柱具有这一线性的尺度准则。

这一工作表明这一新的设计理念将会得到以前认为的所不能得到的更好的材料性能,因为这一设计理念违反了传统的设计理念。LLNL研究人员发现,这一工作同时也证明了使用拓扑优化技术之后,工程人员可以设计新的结构来完胜采用传统的设计理念所得到的材料的性能。

研究人员对不同密度的样品进行了测试来观察当他们在不同的角度进行压缩的时候会发生什么现象。实验结果颠覆了经典的八面体棱柱的设计理论。

研究人员称各向同性的棱柱结构可以拓展应用于3D打印金属和陶瓷,此外这对生物材料的应用,如3D打印生物组织,需要进行可调制的刚性时是非常重要的。在航天领域也会找到这方面的应用。在无人机中或战斗机中,例如,需要减轻重量的场合具有双重的意义,增加了设备的可操控性和减少了设备的惯性,使得其具有优异的性能。

轻量化结构的设计同时还可以减轻制造成本,燃油消耗和减少材料的浪费。同时还拥有其他优点,如对工程结构来说可以具有更加优化的结构。LLNL的长期研究目标是转向创造和使用LLNL最新的材料数据库。

LLNL实验室正在持续开展他们的工作,包括完全表征所制备材料的晶格结构的物理特征,在超越其线性弹性模量的前提下,包括传热、非线性机械性能、振动和失效等情况下表征其物理特征。

将来用于超轻多孔结构材料的一种平板的晶格结构材料


来源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39916.html

   

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