仅改单元形状，3D打印树脂拉胀晶格峰值载荷提升四倍、能量吸收提升三倍

拉胀晶格换个形状，承载能力就能差出四倍，这说法确实有点反直觉，
但印度泰米尔纳德邦韦洛尔理工大学（VIT）的研究团队，还真把它测出来了。
他们把星形-三角形晶格和更常见的内凹六边形晶格拿来同台比试，
材料、打印机、测试条件全都不变，结果峰值载荷差出约四倍，能量吸收差出约三倍。

这项研究以预印本形式发表在《科学报告》上。
对比的两种晶格，一种是内凹六边形，在文献里出现得很多，
另一种是星形-三角形。

先说说拉胀结构。
它的特点是负泊松比，压它的时候侧向收缩，拉它的时候侧向膨胀。
这个特性是几何形状给的，不是材料本身自带。
研究团队指出，专门针对树脂3D打印拉胀晶格的研究本来就不多，
而在不换树脂、不换测试条件的前提下比较不同几何形状的，就更稀缺了。

两种晶格都用Autodesk Fusion 360建模，单元高度10毫米，壁厚1毫米，杆件倾斜角30度。
内凹六边形由两根平行支杆加上四根向内倾斜的支杆组合而成，编号NA。
星形-三角形单元连了四根倾斜支杆，还带着由6.25毫米半径定义的曲线杆件，编号NB。

单元阵列成高30毫米、深20毫米的块体。
六边形的块体宽32毫米，重7克，星形的块体宽35毫米，重10克。
打印用的是Anycubic标准光敏树脂，机器是Creality LD-002R，靠LCD屏幕投射紫外光逐层固化。
切片在CHITUBOX里完成，层厚0.05毫米，每层曝光6秒，底层曝光50秒。
打印完的件泡在异丙醇里，把晶格空腔里没固化的树脂清干净，再做紫外后固化。
每种设计打印了4个试样。

压缩测试基本按ASTM D695标准的一般程序走，试验机是Tinius Olsen H10KL，配了10 kN力传感器。
因为晶格块体不是标准要求的那种实心试样，作者只采用标准里的加载设置、程序和数据采集方法。
每个块体以2毫米每分钟的速度压，直到压到原始高度的40%。
测试温度大约25°C，相对湿度50%到60%。
能量吸收是通过载荷曲线下的面积估算出来的。

另外他们还用达索系统的Abaqus建了有限元模型。
为了验证设置，先把Gohar他们2021年发表过的ABS晶格仿真复现了一遍。
新模型的von Mises应力最大值和位移最大值，跟已发表值分别差2.91%和2.63%。
之后换进树脂材料属性，用来做其余分析。
两个模型里，应力都集中在内凹节点处，晶格随着单元壁向内折叠，一层一层塌下去。

那结果到底差多少？
把所有试样的数据放在一起看，差别真的不小。

星形-三角形的块体在强度和能量吸收上都赢了。
试样NB1创了本次研究的最高纪录，在1.6到1.8毫米位移的地方，峰值应力3.8 MPa，峰值力约2700牛，接着载荷急剧掉下来。
NB1也是所有试样里能量吸收最高的，紧随其后的是NB2，峰值应力3.1 MPa，峰值力2200牛。
作者说NB2在峰值之后的响应更平缓一些。
他们把星形设计的优势归结为更多的连接节点，以及更有效的载荷传递路径。

六边形这边，NA3是组内峰值应力最高的，0.89 MPa，660牛，但这些载荷大多是在后期单元压实的时候慢慢累积起来的。
NA4在组内初始刚度最大，能量吸收也最高。
总体来看，六边形试样承受的载荷要低一些，但坍塌过程中的变形更均匀。

作者基于结果给了两个应用方向。
内凹六边形适合做缓冲，比如生物医学植入装置、人体工学产品、鞋底和柔软衬垫。
星形-三角形设计则更适合要强度、要抗冲击的场景，比如航空航天夹芯板、汽车碰撞吸能装置和防护装备。

不过样本量是个问题。
四个星形-三角形试样的峰值应力范围，从0.6 MPa到3.8 MPa，其中NB3甚至比三个六边形试样都低。
作者自己承认，试样数太少，算不出标准偏差、置信区间或者误差条。

他们后面计划用更大批次来验证统计显著性，还要做直接泊松比测量、冲击加载、疲劳行为，以及应用驱动的优化。

这项研究瞄准的空白很具体。
在树脂、打印工艺和测试方案都固定的情况下，不同晶格几何结构的正面比较一直太少，
所以树脂打印晶格的压缩行为到底有多少是单元形状决定的，这个问题一直没有答案。
这次他们把两个设计放在同一种树脂、同一台打印机、同一套后处理流程和同一套压缩设置里，几何形状就成了唯一变量。

RMIT大学也有一项研究，发在《Composite Structures》上，把一种新的拉胀设计和传统内凹蜂窝结构比过，同样把性能提升归功于结构而不是材料。
那个团队的双晶格设计灵感来自维纳斯花篮海绵，刚度是现有拉胀材料的13倍，能量吸收高出10%。
他们还发现，较厚的非对角梁会提高刚度，对角梁之间更宽的间距则改善能量吸收。
和VIT工作重叠的地方，是都以内凹结构当基准，都把几何形状当成性能驱动因素。
区别在于，RMIT用的是柔性TPU打印原型，VIT用的是标准光敏聚合物树脂。

两项研究合起来看，晶格几何结构更像是一个可以针对吸能部件去调优的设计输入。
VIT的结果，把这条思路延伸到了树脂打印晶格里。

这项研究的题目是使用SLA 3D打印的内凹拉胀结构的设计与力学性能分析，一项比较研究。
英文原题是Design and mechanical performance analysis of re-entrant auxetic structures fabricated using SLA 3D printing, a comparative study。
作者是Pranjal Rukmangad、Benedict Thomas和Gunji Bala Murali。