研究人員通過海膽啟發開發3D打印無支撐格子

魔猴君  行業資訊   1336天前

國立臺灣科技大學的研究人員已使用融合沉積建模（FDM）3D打印了新的晶格結構，該結構不需要任何支撐結構。貝殼形的晶格結構基于海膽的形態，該海膽具有機械穩定性和承重能力。研究人員旨在在其印刷的格子結構中模擬這些屬性，從而消除對支撐結構的需求，以減少了印刷過程以及后續后處理步驟所需的材料，能量和時間。

海膽風格的格子經設計具有特定的剛度和能量吸收特性，并可能在最終用途的消費產品（例如低成本鞋中底和滑雪靴）中具有潛在應用。研究人員稱，這些格子還可以以輪胎和汽車防撞盒的形式，或者實際上是“任何其他吸收能量”的結構，部署在汽車領域。

研究人員基于海膽殼的設計和蜂窩狀結構中的緊密堆積結構來構建其晶格結構。

圖片來自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

刪除不需要的支撐

使用FDM工藝印刷晶格結構需要一種支撐結構，以確保每個晶格元素都印刷無缺陷且沒有變形或下垂。然后在后處理步驟中通過機械或化學方法去除該支撐結構。當使用彈性材料（例如TPU）進行打印時，必須使用相同的材料作為支撐，由于結構的復雜性質，幾乎不可能通過化學或機械手段從晶格中除去該支撐。大量的后處理工作，再加上首先要印刷支撐物所需的額外材料，能量和加工時間，促使研究人員著手設計可以通過FDM生產的穩定的，自支撐的TPU晶格結構。

研究人員還希望利用特殊的機械性能（例如剛度和能量吸收）在加載和卸載結構時產生不錯的壓縮效果，以確保它們適用于鞋類和其他能量吸收應用。中國東南大學的先前研究已經著手創建一種算法，該算法使用FDM工藝，使用類似于格網的一致填充圖案，對更堅固，更高效的對象進行打印。在其他地方，加州大學伯克利分校的一個團隊開發了一種將3D打印的聚合物八邊形格子并入混凝土結構中以用作加固材料的方法。晶格結構顯著降低了結構的整體重量，并且被證明與傳統水泥一樣具有承重能力。

使用Ultimaker FDM打印機和Ultimaker TPU燈絲打印標本。圖片來自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

用FDM打印晶格

由于FDM 3D打印方法的運營成本和維護成本低，他們決定采用這種方法。他們希望通過實現更高的打印速度來提高FDM流程的效率，并通過在打印點陣結構時消除對支撐結構的需求來提高制造質量。在FDM期間，當晶格結構具有陡峭的懸垂和平行的壁架時，將使用支撐。研究人員發現，為了打印自支撐格子，他們需要確保最大懸垂角為45度，并消除結構的平行壁架。

所提出的晶格由實心支柱的互連網絡組成，這些實心支柱形成基本的構建塊，然后可以以周期性結構細分。該結構基于受海膽圓頂啟發的蜂窩設計，該材料經濟實用，能夠有效地將壓縮應力從圓頂表面轉移到其邊緣。這使結構更堅固，更穩定，并且以前已在建筑設計中使用。用TPU燈絲在Flashforge Beaver 3和Ultimaker FDM 3D打印機上打印出幾種格子形式，單位格子尺寸為8x8x8mm。然后將單位晶格細分為直徑38mm，厚度16mm的圓柱體。

格結構的印刷完成后，不需要任何后處理步驟，并且可以開始測試晶格的機械性能。在（a）無支撐格子結構，（b）BCC格子結構和（c）EVA泡沫材料上執行裝卸測試。圖片來自3D打印和增材制造/Mary Ann Liebert。

評估晶格結構

研究人員發現，他們的3D打印無支撐格子結構可以提高FDM 3D打印過程中用于定制零件的整體速度，而格子本身為制造具有廣泛體積，密度的零件提供了“巨大潛力”和大小。

目視檢查3D打印的格子時，發現結構內無瑕疵或破裂，證明可以為最終用途產品（例如中底和輪胎）制造無支撐格子結構。該結構還表現出在循環載荷下幾乎恒定的能量返回。

據研究人員稱，就能量吸收和剛度而言，它們的結構明顯優于基準的體心立方（BCC）晶格和乙烯醋酸乙烯酯（EVA）泡沫。另外，無支撐格子的印刷比用支撐印刷的時間少三小時，并且在大約11小時的后處理時間去除了。印刷格子的成本也比用支撐件印刷的同類結構低三倍。

點評：展望未來，研究人員期望他們的無支撐格子結構將被用于使用FDM開發定制的運動鞋和滑雪靴中底。他們還將研究流速對使用固定噴嘴直徑打印格子的準確性的影響。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/xin3Ddayinjishu/40032.html