3D 打印材料新研究助力未来更坚固更轻的塑料

对导致 3D 打印材料在应变下失效的变形机制的新分析可能有助于创造未来更坚固、更轻的塑料，为工业带来变革性的好处。

英国和意大利的工程师参与了这项研究，这项研究为晶格材料设计和构造中结构因素的微妙平衡提供了前所未有的洞察。晶格材料是一种蜂窝状细胞结构，兼具重量轻、强度高和能量吸收能力强等特点。

该团队开发了一种称为“增强因子”的设计参数，它提供了一种可靠的方法来预测如何微调新的晶格设计以最大限度地减少结构缺陷并最大限度地提高性能。

基于团队研究成果的 3D 打印新指南作为论文“晶格增材制造中故障缓解的多尺度实验和预测模型”的一部分发表在《先进材料技术》杂志上，可以帮助材料科学家开发具有先进性能的坚固的新型 3D 打印晶格。

在论文中，他们描述了如何利用一种常见的打印工艺(称为熔融长丝制造)来仔细研究聚醚酰亚胺(PEI)材料的 3D 打印过程，该打印工艺采用四种不同的晶格设计，以三种不同的相对密度或壁厚构建。

PEI 是一种坚固的热塑性塑料，可以轻松熔化和重塑，使其成为 3D 打印的有用、可回收原料。

研究团队对这些材料进行了一系列压力测试，反复弯曲、拉伸和压缩，直到它们断裂。测试后，他们使用复杂的微型 CT 扫描和热分析对材料进行分析，发现低密度格子(空隙比材料多，即薄壁蜂窝)在压力下容易弯曲和折叠，这是意料之中的结果。

然而，度晶格通常会在印刷 PEI 长丝的各个股线相互接触的地方断裂，这种弱点被称为“层间损伤”，这使得材料无法像团队根据印刷晶格材料的细胞壁厚度所预期的那样吸收那么多的能量。

然后，他们利用测试数据开发材料的计算机模型，使他们能够运行复杂的虚拟测试并探索材料如何响应真实世界的负载，而不必每次都打印新的测试材料。

他们的建模结果表明，当两层以上的塑料线并排放置时，PEI 晶格材料吸收能量的能力会受到引入缺陷的限制。性能最佳的晶格的细胞壁厚度不超过 PEI 线宽度的两倍。

该团队的增强因子工具是根据他们的研究结果创建的，并通过实际实验进行了进一步验证，有助于预测在制造过程中消除缺陷对任何给定晶格设计的性能改善程度。未来，开发新晶格材料的设计师可以使用增强因子计算来创建最佳结构。

该论文的主要作者、格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的 Shanmugam Kumar 教授表示：“3D 打印或增材制造让我们能够出色地控制材料的生产方式，并使我们能够建造难以或无法通过其他方式生产的结构。

“然而，增材制造所生产的结构可能会因工艺过程中产生的缺陷而受到破坏，从而阻碍其发挥全部潜力。

“我们进行这项研究的目的是全面了解这些缺陷是如何产生的，以及在设计过程的每个阶段我们可以采取哪些步骤来解决这些缺陷，以获得最佳结果。

“我们希望我们的研究结果和制定的指导方针能够推动增材制造材料取得突破性进展。完美生产的晶格材料可以为道路安全带来新进展，其吸收冲击的能力可以帮助制造出更耐撞的汽车，或者在航空航天设计中，其重量轻可以使飞机更省油。”

这项研究始于两年前，由英国和意大利的机构合作开展，首先是意大利博士生 Mattia Utzeri 在格拉斯哥大学多功能材料和增材制造实验室在 Kumar 教授的指导下进行了为期六个月的访问。

此次合作包括来自英国剑桥大学和意大利马尔凯理工大学的学术同事的贡献，他们也是该论文的共同作者。

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