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在建築上的材料強很多的3D打印材料誕生了

2018-11-26

任何事物都有它的兩麵性都有優缺點,3D打印也不例外。而3D打印中一個十分常見的缺點就是用它生產出來的部件其強度比不上傳統製造業生產的部件強。不過伴隨著3D打印材料和技術的不斷進步,3D打印的零部件也展現出來獨有的強度、耐用性已經和傳統技術製造出來的部件旗鼓相當,甚至還超越了傳統製造。現在位於來自美國威斯康星州的首府麥迪遜的威斯康星大學麥迪遜分校的研究員已經開發出了必其他用在建築上的材料強很多的3D打印材料。


工程物理學教授Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger 3D打印了一種材料,其行為與Cosserat彈性理論一致,也被稱為微極彈性。在高壓力環境下分析其物理性能時,物質底層結構中的理論因素。Lakes和Rueger使用該理論設計了一種聚合物晶格,其彎曲剛度比經典彈性理論預測的高30倍。晶格由排列成重複十字交叉設計的聚合物帶組成,可以增加強度和耐用性。

“如果你的材料中有底層結構,比如一些泡沫、格子和纖維增強材料,那麽它比經典彈性理論能夠處理的自由度更大,”Lakes說。“所以我們正在研究材料的自由行為,而不是標準理論所預期的方式。”


材料自由打開了創造不受壓力集中影響的新材料的“大門”,即比任何其他材料都更加堅韌。實際應用可能包括使飛機機翼更加抗裂。如果飛機機翼出現裂縫,應力集中在裂縫周圍,使機翼更弱。


“你需要一定的壓力來打破某些東西,但如果它有裂縫,你可以用較小的壓力來打破它,”Lakes說。


然而,Cosserat理論產生了壓力分布不同的材料,使其變得更加困難。這種行為可以在骨頭以及某些類型的泡沫中看到。但是,當製作泡沫座墊時,工程師對泡沫的底層結構沒有太多的控製,因此他們對調整Cosserat效果的能力有限。


然而,Lakes和Rueger可以在其3D打印材料中調整Cosserat效果,使其非常強大。


“我們開發了一種材料,我們對晶格的精細結構進行了非常詳細的控製,這使我們能夠在彎曲和扭轉材料時獲得非常強大的效果,”Lakes說。


大多數建築物都是根據經典彈性理論設計的,如建築物、飛機、橋梁和電子設備-但這種基於Cosserat理論的新型設計可以產生出眾的材料。通過3D打印材料,工程師可以更好地控製其性能和結構,這可能會導致一種新的建築方式,或者至少可以設計某些部件,比方說前述的飛機機翼。


Rueger和Lakes發表了題為“橫向各向同性聚合物晶格中的強Cosserat彈性”的論文。


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