導語：

經常身處地緣沖突話題當中的伊朗高校也在研究。

今天我們來簡要看看伊朗塞姆南大學研究團隊在《Heliyon》期刊上通過FDM技術制造出多材料聚合物超材料，系統性地對比了蜂窩、內凹和立方體三種胞元結構在不同材料組合下的力學性能表現。

研究結果顯示，蜂窩結構的PLA超材料在能量吸收方面較同材料實心結構提升了209%，部分超材料樣品的力學性能甚至超越了實心材料。

這項研究的核心發現在于結構設計對性能的影響遠超材料本身的作用，同時多材料組合能夠在單一結構中實現不同聚合物特性的協同效應。

對于3D打印從業者而言，這意味著通過巧妙的結構設計和材料搭配，可以在不增加重量的前提下顯著提升產品性能。

對汽車、航空航天等對輕量化和能量吸收有嚴格要求的應用領域來說，這種設計思路提供了新解決方案。

三種胞元結構的精心布局

研究團隊選擇了三種經典的超材料胞元結構進行深入對比：蜂窩、內凹和立方體結構。

如圖1所示，研究人員首先對這些胞元進行了可打印性驗證，通過不同尺寸的試打印確保FDM設備能夠制造出足夠精細的結構細節。

從圖2的圖紙可以看出，每種胞元都承載著不同的設計理念：

蜂窩胞元采用六邊形設計，壁厚1.4mm，整體尺寸12.0mm；內凹胞元呈現典型的負泊松比特征，角度設計為30°；立方體胞元則保持傳統的正方形結構，壁厚0.9mm。

圖3展示了按照D695標準制備的壓縮測試樣品，每種胞元結構都被精心排列成標準測試件。

蜂窩和立方體樣品采用6×6的陣列排布，而內凹結構則采用2×3的排列方式，這種差異化的排布考慮了不同胞元的幾何特征和可制造性。

多材料組合的創新嘗試

材料選擇方面，研究團隊展現出了前瞻性。

他們選用了ABS、TPU和PLA三種截然不同特性的聚合物：

ABS具備較高的沖擊韌性和強度，TPU展現出優異的延展性和彈性，而PLA則表現為脆性材料但易于加工。

圖4中的3D打印方向設置頗有講究，研究人員選擇沿厚度方向進行打印，這種方向選擇能夠最大化結構的承載能力。

打印參數方面，所有材料都采用0.2mm的噴嘴直徑和層高，100%填充率，但溫度設置因材料而異：PLA為180°C，TPU為200°C，ABS為225°C。

研究通過將這些材料進行雙材料和三材料組合，研究人員試圖在單一結構中實現多種聚合物特性的協同效應。

FDM打印質量的深度剖析

3D打印質量往往是決定最終性能的關鍵因素，研究團隊對此進行了細致入微的分析。

圖5、6、7展示了不同材料組合下制造出的樣品，顏色搭配清晰地展現了多材料結構的層次感。

圖8中的實心樣品作為對照組，為性能對比提供了基準。這些樣品的制造質量直接影響后續的力學測試結果，因此打印參數的精確控制顯得尤為重要。

AM易道認為，這種多材料3D打印的質量控制比單一材料更加復雜，材料間的熱膨脹系數差異、粘接強度以及界面結合質量都會影響最終性能。

研究中使用環氧膠水進行材料間的粘接，雖然增加了制造步驟，但確保了結構的完整性。

壓縮測試的關鍵發現

壓縮測試結果揭示了一些頗為意外的規律。

圖9展示了內凹胞元在不同加載方向下的受力情況，研究選擇了D1方向（垂直加載）進行測試，這個方向能夠發揮內凹結構的最佳力學性能。

測試數據顯示，蜂窩結構在多數材料組合中都表現出最高的屈服強度，部分超材料樣品甚至超越了實心結構的性能表現。

例如，PLA蜂窩結構的屈服強度達到14.85 MPa，而ABS蜂窩結構也達到了13.18 MPa。

圖10中的有限元仿真設置為實驗結果提供了理論支撐，邊界條件設定為一端完全固定，另一端施加10mm的位移控制。

更重要的是，研究發現結構類型對力學性能的影響遠大于材料類型的影響。

這一發現顛覆了傳統認知，證明了巧妙的結構設計能夠突破材料本身的局限性。

在某些情況下，即使是相對脆性的PLA材料，通過合理的結構設計也能展現出優異的性能表現。

能量吸收性能的突破性表現

研究中最引人注目的發現當屬能量吸收性能的顯著提升。

PLA蜂窩超材料結構的比能量吸收達到5540.15 J/kg，相比同材料實心結構提升了209%。

這個數字背后代表著結構優化帶來的巨大價值。

不同胞元結構的能量吸收表現也呈現出有趣的規律：

在大多數材料組合中，蜂窩結構表現最佳，內凹結構次之，立方體結構相對較弱。

但在TPU和TPU/ABS材料組合中，內凹結構反而展現出更高的斷裂韌性，這種材料依賴性為實際應用提供了選擇依據。

考慮到超材料的多孔特性，這種性能提升更加難能可貴。

即使在相同重量下，優化后的蜂窩結構依然能夠超越實心材料的表現，這為輕量化設計提供了新的思路。

破壞機制的深入洞察

圖21的破壞機制分析揭示了不同結構和材料組合的失效模式。

PLA蜂窩結構在壓縮測試后，胞元完全嵌入彼此，呈現出一種有序的坍塌模式，沒有出現明顯的滑移和分層現象。

PLA這種破壞模式有利于能量的漸進吸收，避免了突然失效。

相比之下，TPU結構展現出完全不同的行為特征，它們在測試后保持完全完整，卸載后能夠回復原狀。

這種彈性特征使得TPU結構在需要可重復使用的能量吸收應用中具有獨特優勢。

ABS和PLA樣品中觀察到較多的分層現象，特別是在復合材料樣品中，不同材料間的界面成為薄弱環節。

這種觀察結果提醒我們，多材料3D打印中的界面處理仍然是需要重點關注的技術難點。

數值仿真的有效驗證

研究團隊使用Abaqus軟件進行了顯式動力學分析，仿真結果展現出令人滿意的準確性。

圖23展示了實驗與仿真的變形對比，胞元的變形模式高度一致，驗證了數值模型的可靠性。

圖24中的應力云圖進一步揭示了不同結構的應力分布特征。

蜂窩結構呈現出相對均勻的應力分布，而內凹結構的應力集中主要出現在胞元連接處，立方體結構則在角部區域出現明顯的應力集中。

仿真與實驗數據的誤差控制在10%以內，這種精度對于工程應用而言已經相當可觀。

多材料組合超材料結構的商業價值

AM易道認為，這項研究的商業意義更多著眼于應用層面。

通過材料組合，單一結構能夠同時具備多種聚合物的特性。

例如，PLA/TPU組合既保持了PLA的剛性和易加工性，又獲得了TPU的韌性和彈性恢復能力。

在汽車工業中，這種超材料設計可以應用于保險杠、門板等需要能量吸收的部件。

傳統的實心塑料部件重量大且能量吸收效率有限，而優化后的蜂窩超材料能夠在減重的同時提升安全性能。

航空航天領域對輕量化的要求更加嚴格，每克重量的節省都可能帶來顯著的經濟效益。

研究中展示的209%能量吸收提升意味著在保持相同安全標準的前提下，可以大幅降低結構重量。

AM易道認為，隨著多材料3D打印設備的普及和成本降低，這種超材料設計方法將在更多中小企業中得到應用。

特別是在定制化產品和小批量生產領域，3D打印的靈活性與超材料的性能優勢將形成強大的競爭力。

AM易道結語

這項研究為3D打印行業指明了一個清晰的發展方向：

從單純的形狀復制向結構性能優化轉變。

超材料設計不再是實驗室的專利，而是正在走向實際應用的現實技術。

研究團隊建議未來工作應重點關注工藝參數優化、尺寸和形狀優化，以及沖擊測試的實施。

對于3D打印服務商而言，掌握多材料超材料設計能力將成為重要的差異化競爭優勢。

傳統的按重量收費模式可能需要調整，因為客戶購買的不再僅僅是材料，而是優化的結構性能。

在追求輕量化和高性能的未來，結構與材料的協同優化將成為3D打印技術發展的核心驅動力。

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