美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家設計了一種新型3D打印晶格結構，這種結構綜合了超輕結構和高剛度的優(yōu)勢，打破了之前認為需要展示此類特性的Maxwell設計規(guī)則。他們?yōu)榇藢ｉT開發(fā)了一個設計軟件，使用他們編寫的拓撲優(yōu)化軟件，創(chuàng)建了兩個由微架構桁架組成的獨特單胞設計，其中一個被設計為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

SEM觀察到的使用投影顯微立體光刻打印技術得到的經(jīng)典的八位元晶格和拓撲優(yōu)化,各向同性扁圓以及準球形八面體晶格。©LLNL

 “強大”決定于“微小”之間

     具有隨機微結構的材料,如泡沫材料,典型的呈現(xiàn)出低的機械強度,而設計的具有微結構的格柵結構則經(jīng)常表現(xiàn)出顯著的提高的剛性.這些周期性的架構材料在早先已經(jīng)被通過一定的規(guī)則進行了設計，使用的是Maxwell準則來確保他們的變形主要受他們的棱柱的拉伸所制約。

經(jīng)典的設計遵循這一規(guī)則時則傾向于各向異性，其剛性依賴于載荷的方向，但在最近，各向同性設計曾經(jīng)被報道在疊加互補各向異性晶格的時候得以實現(xiàn)。

 打破早先的設計規(guī)則

    來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人員設計了一類新的３D打印晶格結構的材料，這一設計綜合了超輕和高剛性的優(yōu)勢，盡管這一設計打破了早先的設計規(guī)則所應該具有的性質。其中這一設計的結構額外的還呈現(xiàn)出在不同的方向施加力的時候均可均勻的進行變形反應。

     LLNL的研究團隊將這一成果發(fā)表在頂刊《 Science Advances》上所描述的那樣，研究團隊在Seth Watts的領導下，使用拓撲優(yōu)化軟件，設計出兩種獨特的單元細胞的晶格設計方案。其組成為微結構桁架，其中一個設計成各向同性的材料性質（即各個方位性質均一致）。這些新的結構被制造之后并進行了測試，研究發(fā)現(xiàn)其性能完勝八進制的棱柱結構，這是一種用于３D打印晶格結構時的一種標準的形狀。

楊氏模量同 單軸載荷狀態(tài)的方向（單元晶格的矢量）之間的關系

      讓研究人員感到驚奇的是，其晶格柵架結構看起來明顯違反了Maxwell準則，這一準則是一個結構剛性的用于機械設計的處理辦法,該原則假設認為結構能夠承受的最大的有效載荷變形時只在拉伸的時候。在這一結構中,剛性的大小同密度呈線性關系 —將材料結構的重量減半的話只是將其剛性進行了減半,相反的是,結構的剛性的有效性則會減少三分之一或者八分之一。這一線性的尺度使得創(chuàng)造出超輕，超剛性的機械超材料成為可能。

    根據(jù)論文的聯(lián)合作者Watts，一直以來研究人員認為Maxwell 準則在應用低密度的高剛性材料的時候是必要和充分的。LLNL的研究結果證明這一準則不再是一個必要的前提條件。換言之，,這里存在大量的棱柱具有這一線性的尺度準則。

      這一工作表明這一新的設計理念將會得到以前認為的所不能得到的更好的材料性能，因為這一設計理念違反了傳統(tǒng)的設計理念。LLNL研究人員發(fā)現(xiàn)，這一工作同時也證明了使用拓撲優(yōu)化技術之后，工程人員可以設計新的結構來完勝采用傳統(tǒng)的設計理念所得到的材料的性能。

研究人員對不同密度的樣品進行了測試來觀察當他們在不同的角度進行壓縮的時候會發(fā)生什么現(xiàn)象。實驗結果顛覆了經(jīng)典的八面體棱柱的設計理論。

研究人員稱各向同性的棱柱結構可以拓展應用于3D打印金屬和陶瓷，此外這對生物材料的應用，如3D打印生物組織，需要進行可調制的剛性時是非常重要的。在航天領域也會找到這方面的應用。在無人機中或戰(zhàn)斗機中，例如，需要減輕重量的場合具有雙重的意義，增加了設備的可操控性和減少了設備的慣性，使得其具有優(yōu)異的性能。

輕量化結構的設計同時還可以減輕制造成本，燃油消耗和減少材料的浪費。同時還擁有其他優(yōu)點，如對工程結構來說可以具有更加優(yōu)化的結構。LLNL的長期研究目標是轉向創(chuàng)造和使用LLNL最新的材料數(shù)據(jù)庫。

LLNL實驗室正在持續(xù)開展他們的工作，包括完全表征所制備材料的晶格結構的物理特征，在超越其線性彈性模量的前提下，包括傳熱、非線性機械性能、振動和失效等情況下表征其物理特征。

將來用于超輕多孔結構材料的一種平板的晶格結構材料

(責任編輯：admin)

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