具有復合特征的仿生結(jié)構(gòu)因其獨特的機械性能，為各種工程應用開發(fā)設計具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)提供了絕佳的設計思路。然而，在仿生制造和設計這些復雜精細結(jié)構(gòu)時，在模具成型和復雜結(jié)構(gòu)驗證等方面常常受到加工條件限制。3D打印可快速制造各種復雜結(jié)構(gòu)，為仿生結(jié)構(gòu)的設計、制造和驗證提供了新方法。

在福建省“揭榜掛帥”重大專項和閩都創(chuàng)新實驗室自主部署關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目的支持下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳立新研究員團隊面向輕量化3D打印結(jié)構(gòu)在鞋業(yè)、汽車等領(lǐng)域的應用開展研究。受自然界生物結(jié)構(gòu)兼具剛度和柔韌性的特征啟發(fā)，通過分級彎曲和拉伸主導的結(jié)構(gòu)來設計混合架構(gòu)的晶格。隨后，使用純樹脂及高二氧化硅固含的復合材料，通過3D打印方式制備了以上晶格結(jié)構(gòu)，并將其結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進行比較以驗證設計合理性。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設計比單一晶格拓撲結(jié)構(gòu)的模量和應變能量密度提高了7倍。添加填料進一步將結(jié)構(gòu)的剛度提高12倍以上，且減少了結(jié)構(gòu)屈曲。另外，還評估了帶有石墨烯基涂層表面的混合晶格設計特性。所設計的晶格結(jié)構(gòu)具有良好的彈性恢復能力，同時功能化特性也得到了拓展。相關(guān)工作發(fā)表在國際期刊Additive Manufacturing, 2023, 66, 1034*1，印度籍博士生Naveen Thirunavukkarasu為該論文的第一作者，翁子驤高級工程師和吳立新研究員為通訊作者。

圖：仿生a）兼具剛硬和韌性結(jié)構(gòu)來設計b)分級彎曲和拉伸主導的混合晶格結(jié)構(gòu)

之前，Naveen Thirunavukkarasu還將3D打印用于防滑鞋底設計（Tribology International, 2022，17*, 107*23）。仿照樹蛙等動物的足底結(jié)構(gòu)進行仿生設計，結(jié)合材料研發(fā)和有限元計算，通過3D打印獲得在潮濕表面仍具良好摩擦力的結(jié)構(gòu)。以上研究結(jié)果表明，3D打印可用于具有優(yōu)異性能的仿生結(jié)構(gòu)制造和驗證。

來源：福建物構(gòu)所

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