研究团队探讨3D打印材料变形机制 助力开发更坚固、更轻的塑料

盖世汽车讯 英国和意大利研究人员探讨导致3D打印材料在应变下失效的变形机制，可能有助于创造更坚固、更轻的塑料。这项研究深入了解在晶格材料的设计和构造中起作用的结构因素的微妙平衡，其中晶格材料是一种蜂窝状多孔结构，兼具重量轻、强度高和能量吸收能力强等特点。

（图片来源：Advanced Materials Technologies）

据外媒报道，该团队开发出名为“增强因子（enhancement factor）”的设计参数。这提供了一种可靠的方法来预测如何对新的晶格设计进行微调，以最大限度地减少结构缺陷并充分提升性能。相关论文发表在期刊《先进材料技术（Advanced Materials Technologies）》上，其中基于该团队研究结果提出的3D打印新指导建议，可以帮助材料研究人员开发具有先进性能的、坚固的新型3D打印晶格。

研究人员在论文中描述如何深入了解聚醚酰亚胺（PEI）材料的3D打印过程。这种材料跨越四种不同的晶格设计，使用常见的熔丝沉积成型（fused filament fabrication）打印工艺，基于三种不同的相对密度或壁厚而构建。

PEI是一种坚固的热塑性塑料，易于熔化和重塑，由此成为3D打印中有用且可回收的原料。该团队对这些材料进行了一系列应力测试（反复进行弯曲、拉动和压缩，直至它们断裂），并在测试后对材料进行了复杂的微CT扫描和热分析。结果发现，低密度晶格比材料（薄壁蜂窝）含有的真空区更多，在压力下往往会弯曲和折叠。然而，更高密度的晶格经常沿着打印的单股PEI长丝相遇的线断裂。这一缺陷被称为“层间损伤（interlayer damage）”，这使材料无法吸收如同该团队（根据打印晶格材料的单元壁厚度）所期望的那么多的能量。

然后，研究人员利用测试数据来开发材料的计算机模型，以运行复杂的虚拟测试并探索材料如何响应现实负载，而不必每次打印新的测试材料。建模结果表明，两层以上的塑料股线（plastic strands）彼此相邻铺设时产生缺陷，这会影响PEI晶格材料吸收能量的能力。最佳表现晶格的单元壁厚度不超过PEI股线宽度的两倍。

该团队的增强因子工具基于他们的研究结果而创建，并通过真实的实验来进一步验证，有助于预测从制造过程中去除缺陷对各种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利用增强因子计算来创建尽可能好的结构。

该论文的主要作者、格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院（University of Glasgow's James Watt School of Engineering）的Shanmugam Kumar教授表示：“借助3D打印或增材制造，我们很容易控制材料的生产方式，并且能够构建难以或无法通过其他方式生产的结构。然而，由于在工艺过程中产生的缺陷，通过增材制造生产的结构可能会受到破坏，难以发挥全部潜力。这项研究的目的是全面了解这些缺陷是如何产生的，以及我们在各设计阶段中可以采取哪些措施来应对这些缺陷，以产生最佳结果。”

这项研究始于两年前，由英国和意大利的机构合作开展。研究人员希望，这项研究结果以及他们提出的指导建议，能够推动增材制造材料取得突破性进展。无瑕疵生产的晶格材料有望开创道路安全新局面，它们具有吸收冲击的能力，有助于制造更抗碰撞的汽车；而在航空航天设计中，由于其重量轻，可以使飞机更省油。