伊朗高校试验3D打印多材料超材料：蜂窝结构能量吸收提升209%

经常身处地缘冲突话题当中的伊朗高校也在研究#3D打印超材料结构。

今天我们来简要看看伊朗塞姆南大学研究团队在《Heliyon》期刊上通过FDM技术制造出多材料聚合物超材料，系统性地对比了蜂窝、内凹和立方体三种胞元结构在不同材料组合下的力学性能表现。

研究结果显示，蜂窝结构的PLA超材料在能量吸收方面较同材料实心结构提升了209%，部分超材料样品的力学性能甚至超越了实心材料。

这项研究的核心发现在于结构设计对性能的影响远超材料本身的作用，同时多材料组合能够在单一结构中实现不同聚合物特性的协同效应。

对于3D打印从业者而言，这意味着通过巧妙的结构设计和材料搭配，可以在不增加重量的前提下显著提升产品性能。

对汽车、航空航天等对轻量化和能量吸收有严格要求的应用领域来说，这种设计思路提供了新解决方案。

三种胞元结构的精心布局

研究团队选择了三种经典的超材料胞元结构进行深入对比：蜂窝、内凹和立方体结构。

如图1所示，研究人员首先对这些胞元进行了可打印性验证，通过不同尺寸的试打印确保FDM设备能够制造出足够精细的结构细节。

从图2的图纸可以看出，每种胞元都承载着不同的设计理念：

蜂窝胞元采用六边形设计，壁厚1.4mm，整体尺寸12.0mm；内凹胞元呈现典型的负泊松比特征，角度设计为30°；立方体胞元则保持传统的正方形结构，壁厚0.9mm。

图3展示了按照D695标准制备的压缩测试样品，每种胞元结构都被精心排列成标准测试件。

蜂窝和立方体样品采用6×6的阵列排布，而内凹结构则采用2×3的排列方式，这种差异化的排布考虑了不同胞元的几何特征和可制造性。

多材料组合的创新尝试

材料选择方面，研究团队展现出了前瞻性。

他们选用了ABS、TPU和PLA三种截然不同特性的聚合物：

ABS具备较高的冲击韧性和强度，TPU展现出优异的延展性和弹性，而PLA则表现为脆性材料但易于加工。

图4中的3D打印方向设置颇有讲究，研究人员选择沿厚度方向进行打印，这种方向选择能够最大化结构的承载能力。

打印参数方面，所有材料都采用0.2mm的喷嘴直径和层高，100%填充率，但温度设置因材料而异：PLA为180°C，TPU为200°C，ABS为225°C。

研究通过将这些材料进行双材料和三材料组合，研究人员试图在单一结构中实现多种聚合物特性的协同效应。

FDM打印质量的深度剖析

3D打印质量往往是决定最终性能的关键因素，研究团队对此进行了细致入微的分析。

图5、6、7展示了不同材料组合下制造出的样品，颜色搭配清晰地展现了多材料结构的层次感。

图8中的实心样品作为对照组，为性能对比提供了基准。这些样品的制造质量直接影响后续的力学测试结果，因此打印参数的精确控制显得尤为重要。

AM易道认为，这种多材料3D打印的质量控制比单一材料更加复杂，材料间的热膨胀系数差异、粘接强度以及界面结合质量都会影响最终性能。

研究中使用环氧胶水进行材料间的粘接，虽然增加了制造步骤，但确保了结构的完整性。

压缩测试的关键发现

压缩测试结果揭示了一些颇为意外的规律。

图9展示了内凹胞元在不同加载方向下的受力情况，研究选择了D1方向（垂直加载）进行测试，这个方向能够发挥内凹结构的最佳力学性能。

测试数据显示，蜂窝结构在多数材料组合中都表现出最高的屈服强度，部分超材料样品甚至超越了实心结构的性能表现。

例如，PLA蜂窝结构的屈服强度达到14.85 MPa，而ABS蜂窝结构也达到了13.18 MPa。

图10中的有限元仿真设置为实验结果提供了理论支撑，边界条件设定为一端完全固定，另一端施加10mm的位移控制。

更重要的是，研究发现结构类型对力学性能的影响远大于材料类型的影响。

这一发现颠覆了传统认知，证明了巧妙的结构设计能够突破材料本身的局限性。

在某些情况下，即使是相对脆性的PLA材料，通过合理的结构设计也能展现出优异的性能表现。

能量吸收性能的突破性表现

研究中最引人注目的发现当属能量吸收性能的显著提升。

PLA蜂窝超材料结构的比能量吸收达到5540.15 J/kg，相比同材料实心结构提升了209%。

这个数字背后代表着结构优化带来的巨大价值。

不同胞元结构的能量吸收表现也呈现出有趣的规律：

在大多数材料组合中，蜂窝结构表现最佳，内凹结构次之，立方体结构相对较弱。

但在TPU和TPU/ABS材料组合中，内凹结构反而展现出更高的断裂韧性，这种材料依赖性为实际应用提供了选择依据。

考虑到超材料的多孔特性，这种性能提升更加难能可贵。

即使在相同重量下，优化后的蜂窝结构依然能够超越实心材料的表现，这为轻量化设计提供了新的思路。

破坏机制的深入洞察

图21的破坏机制分析揭示了不同结构和材料组合的失效模式。

PLA蜂窝结构在压缩测试后，胞元完全嵌入彼此，呈现出一种有序的坍塌模式，没有出现明显的滑移和分层现象。

PLA这种破坏模式有利于能量的渐进吸收，避免了突然失效。

相比之下，TPU结构展现出完全不同的行为特征，它们在测试后保持完全完整，卸载后能够回复原状。

这种弹性特征使得TPU结构在需要可重复使用的能量吸收应用中具有独特优势。

ABS和PLA样品中观察到较多的分层现象，特别是在复合材料样品中，不同材料间的界面成为薄弱环节。

这种观察结果提醒我们，多材料3D打印中的界面处理仍然是需要重点关注的技术难点。

数值仿真的有效验证

研究团队使用Abaqus软件进行了显式动力学分析，仿真结果展现出令人满意的准确性。

图23展示了实验与仿真的变形对比，胞元的变形模式高度一致，验证了数值模型的可靠性。

图24中的应力云图进一步揭示了不同结构的应力分布特征。

蜂窝结构呈现出相对均匀的应力分布，而内凹结构的应力集中主要出现在胞元连接处，立方体结构则在角部区域出现明显的应力集中。

仿真与实验数据的误差控制在10%以内，这种精度对于工程应用而言已经相当可观。

多材料组合超材料结构的商业价值

AM易道认为，这项研究的商业意义更多着眼于应用层面。

通过材料组合，单一结构能够同时具备多种聚合物的特性。

例如，PLA/TPU组合既保持了PLA的刚性和易加工性，又获得了TPU的韧性和弹性恢复能力。

在汽车工业中，这种超材料设计可以应用于保险杠、门板等需要能量吸收的部件。

传统的实心塑料部件重量大且能量吸收效率有限，而优化后的蜂窝超材料能够在减重的同时提升安全性能。

航空航天领域对轻量化的要求更加严格，每克重量的节省都可能带来显著的经济效益。

研究中展示的209%能量吸收提升意味着在保持相同安全标准的前提下，可以大幅降低结构重量。

AM易道认为，随着多材料3D打印设备的普及和成本降低，这种超材料设计方法将在更多中小企业中得到应用。

特别是在定制化产品和小批量生产领域，3D打印的灵活性与超材料的性能优势将形成强大的竞争力。

AM易道结语

这项研究为3D打印行业指明了一个清晰的发展方向：

从单纯的形状复制向结构性能优化转变。

超材料设计不再是实验室的专利，而是正在走向实际应用的现实技术。

研究团队建议未来工作应重点关注工艺参数优化、尺寸和形状优化，以及冲击测试的实施。

对于3D打印服务商而言，掌握多材料超材料设计能力将成为重要的差异化竞争优势。

传统的按重量收费模式可能需要调整，因为客户购买的不再仅仅是材料，而是优化的结构性能。

在追求轻量化和高性能的未来，结构与材料的协同优化将成为3D打印技术发展的核心驱动力。

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