3D打印最新Nature，造“尺度丰富”晶格超材料！

11月11日，最新一期Nature杂志更新一篇关于超材料结构设计的研究，美国东北大学、麻省理工学院等团队提出一种“多尺度丰富性超材料”（Scale-rich network-based metamaterials）框架，让材料内部杆件的长度、粗细和连接数量能同时跨尺度变化。

超材料结构设计一直是本领域所关注的重要方向。但笔者发现，这项研究并不是常规的变密度晶格设计，而是跳出了“选定单胞再调密度”的框架。同时，它的制造与3D打印技术高度关联。

因此，这项研究对于3D打印先进结构设计与应用具有重要意义。

打破传统晶格结构的尺度限制

传统晶格结构通常具有相对固定的特征尺寸，如杆件长度、直径、连接方式往往有较强的规律性。

即使引入一定的随机性，如变密度，本质上仍然是先预设单胞拓扑框架，再在空间上调整杆径实现密度变化，结构特征也集中在有限尺度范围内。

但自然界中的近似结构则要复杂得多。例如蜘蛛网、骨骼结构等，都是非均匀的网格，连接度和特征尺度往往跨越好几个数量级。研究人员认为，正是这种尺度多样性，让它们同时具备轻量、韧性和能量耗散能力。

这篇Nature论文所提出方法，就是要实现晶格结构的多尺度变化。

它的思路是，实现在一个预设区域内随机选择起始位置和方向，生成一定厚度的杆件（就是一根杆，厚度是指截面尺寸）。当杆件与其他杆件或边界相交时停止生长，再继续生成新的杆件。随着生成过程推进，新增杆件的厚度逐渐减小，最终形成相互连接的网络。

而且，整体结构特征只需要调节初始杆径厚度和其衰减指数就能控制。

通过这种方式，材料内部的特征尺度就不再唯一，而是存在长度、厚度和连接数量差异明显的结构单元。

新型超材料结构高度依赖3D打印制造

论文指出，这项工作的实验验证高度依赖3D打印。研究团队采用了光固化和双光子光刻两种技术制造了跨尺度的超材料结构。

其中，光固化用于制造厘米级的样件，互连梁的尺寸从微米级延伸到厘米级；双光子光刻则用于制造微米尺度的特征。

实际上，虽然这项研究仅仅是用3D打印来验证其设计方法，但实际上也只有3D打印能把“跨尺度、非均匀、由生成规则直接决定的网格”结构变成实物。

新型超材料结构的力学特点

随后，研究人员对3D打印样品进行压缩和冲击测试，发现这种多尺度晶格结构具有几项值得关注的力学特征。

首先是弹性各向异性可以调节。通过改变参数，材料在不同方向上的刚度差异很大，可调范围能达到190倍，远超传统结构。这也意味着，在应用过程中可以根据实际载荷方向，设计具有特定刚度响应的结构。

其次是更加分散的变形方式。传统晶格在受到大载荷时，容易在局部形成明显的变形带，而新结构设计能将变形分散到整个结构，不会发生应力集中，因此整体的能量吸收能力更高。

在动态冲击实验中，这种结构还表现出较低的初始冲击峰值和较高的比能量耗散能力。

研究团队进一步设计了保护内部脆弱部件的结构，发现与新结构比传统方形和六边形晶格能够将内部载荷部件所承受的平均应力降低最多约4.9倍。

除力学性能外，该研究还发现这种新型超材料结构在声波控制方面还表现出应用潜力，它能够改变声波的传播速度和方向。

END

很明显，这项研究仅仅是借助3D打印来验证其结构设计的有效性，但对于3D打印应用来说却非常重要。

从航空航天领域的金属点阵夹芯板、到变密度晶格中底运动鞋，再到散热器、催化结构，3D打印晶格结构的应用可谓非常广泛。

但过去3D打印晶格超材料的优势主要体现在能够制造出传统加工难以实现的复杂结构，而这项研究则进一步放大了该技术的应用价值。可以预见，未来的3D打印晶格超材料性能将更加强大。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印