勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種新型3D打印晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了輕量級和高剛度，打破了之前認(rèn)為需要展示此類特性的規(guī)則。另外，其中一個(gè)新結(jié)構(gòu)對所有方向的力都顯示出完全一致的響應(yīng)。

正如Science Advances發(fā)表的一篇論文所述，由工程師Seth Watts共同領(lǐng)導(dǎo)的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，使用Watts編寫的拓?fù)鋬?yōu)化軟件，創(chuàng)建了兩個(gè)由微架構(gòu)桁架組成的獨(dú)特單胞設(shè)計(jì)，其中一個(gè)被設(shè)計(jì)為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

然后，這些新結(jié)構(gòu)被制造和測試，并被發(fā)現(xiàn)優(yōu)于八位組桁架，這是三維打印網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)幾何圖案。令研究人員驚訝的是，這些桁架似乎違反了麥克斯韋準(zhǔn)則，這是一種在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用的結(jié)構(gòu)剛度理論，該理論認(rèn)為最有效的承重結(jié)構(gòu)只有通過拉伸才能變形。在這樣的結(jié)構(gòu)中，剛度比例與密度成線性關(guān)系，將結(jié)構(gòu)的重量減半，而不是效率較低的結(jié)構(gòu)，其剛度會降低四分之三或八分之七。這種線性縮放可以創(chuàng)建超輕、超硬的機(jī)械超材料。

該研究的共同作者瓦茨解釋說：研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳統(tǒng)智慧（麥克斯韋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則）不能滿足時(shí)，兩個(gè)桁架的剛度與密度呈線性比例關(guān)系。人們一直認(rèn)為，麥克斯韋準(zhǔn)則既是必要的，也是充分的，可以證明在低密度下具有高剛度。該研究已經(jīng)證明了這不是一個(gè)必要條件。換句話說，有更大一類桁架具有這種線性比例特性。這表明以前的正統(tǒng)觀念并不堅(jiān)定，存在例外，而這些例外實(shí)際上可以獲得更好的屬性。

通過使用投射到光敏聚合物樹脂上的光，來逐層構(gòu)建物體的投影微型立體光刻3D打印工藝，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了具有重復(fù)八面體和整流立方體(ORC)單元格的結(jié)構(gòu)，該單元被設(shè)計(jì)為比等密度的八面體桁架更堅(jiān)硬。并且具有重復(fù)扁圓形和準(zhǔn)球形八面體(OQSO)單元格結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為完全各向同性，因此其機(jī)械響應(yīng)是均勻的，無論在何處施加載荷，然后對設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究人員表示，由于其統(tǒng)一的響應(yīng)，各向同性格子可以相對于已知甚至未知載荷任意放置。

架能這使工程師能夠產(chǎn)生比其他類型桁架(如八位組設(shè)計(jì))更堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)，這種桁架也是超硬的，但只在某些方向上。研究的合著者、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說：各向同性桁在用例場景中忽略加載方向。例如，不再需要擔(dān)心負(fù)載來自哪個(gè)角度。這項(xiàng)研究確實(shí)表明，有一種新方法可以獲得更好的性能，但還沒有被探索，因?yàn)樗`反了傳統(tǒng)觀念。研究人員表示，這項(xiàng)工作還證明，通過使用拓?fù)鋬?yōu)化，工程師可以設(shè)計(jì)出比傳統(tǒng)“按規(guī)則設(shè)計(jì)”方法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)更好的新結(jié)構(gòu)。

共同首席作者陳文晨（音譯）在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后期間領(lǐng)導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)和機(jī)械測試工作，現(xiàn)在是馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特大學(xué)機(jī)械工程助理教授，陳文晨測試了不同密度的樣品，看看當(dāng)它們以不同角度壓縮時(shí)會發(fā)生什么，以驗(yàn)證它們的各向同性特性。陳文晨表示：對結(jié)果感到驚訝，而且這項(xiàng)研究已經(jīng)“改善了”取代經(jīng)典八位組桁架設(shè)計(jì)的希望。這表明可以使用這個(gè)計(jì)算工具來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以滿足目標(biāo)性能，這為建筑材料開辟了一種新的設(shè)計(jì)模式。

其次，它提高了建筑設(shè)計(jì)的機(jī)械效率，對于可能具有復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的環(huán)境，希望盡可能使其各向同性。這擴(kuò)展了格子的應(yīng)用范圍，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，通常需要一種可以從多個(gè)方向承受載荷的材料。這項(xiàng)研究是陳文晨正在進(jìn)行使用計(jì)算方法優(yōu)化3-D打印部件設(shè)計(jì)工作的一部分，各向同性結(jié)構(gòu)完全是通過計(jì)算機(jī)建模設(shè)計(jì)。新的設(shè)計(jì)以及用于開發(fā)它們的算法正在被整合到利弗莫爾設(shè)計(jì)優(yōu)化(LIDO)代碼中，以使這些進(jìn)步可用于其他實(shí)驗(yàn)室編程領(lǐng)域。例如，研究人員已經(jīng)使用這種方法為國家點(diǎn)火設(shè)施應(yīng)用開發(fā)了一個(gè)定制的單元電池。

各向同性桁架可以延伸到3D打印的金屬和陶瓷中，并證明在任何需要硬度的地方都很有用，但需要輕質(zhì)材料，例如在3D打印組織等生物應(yīng)用中，剛度可調(diào)是必不可少的。航空航天領(lǐng)域也需要這些特性。例如，在無人機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)中，減輕結(jié)構(gòu)重量具有增加機(jī)動(dòng)性和減少慣性力的雙重好處，從而實(shí)現(xiàn)極端性能。輕量級設(shè)計(jì)還可以減少生產(chǎn)成本、燃料使用和材料浪費(fèi)，并且隨著工程師轉(zhuǎn)向更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，還會帶來許多其他好處。最新研究是勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室為設(shè)計(jì)具有專門為實(shí)驗(yàn)室任務(wù)量身定做屬性的新單位細(xì)胞庫，而同時(shí)進(jìn)行的幾項(xiàng)努力之一。

Spadaccini說：我們希望將設(shè)計(jì)空間擴(kuò)展到直觀設(shè)計(jì)之外，長期希望是，不再只是在文獻(xiàn)中挑選最新的格子設(shè)計(jì)，而是轉(zhuǎn)向創(chuàng)建和使用我們自己的材料庫，可以使用這些方法來滿足特定需求，因此材料的性能會更好。最終希望勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的工程分析師將其作為一種設(shè)計(jì)工具來使用。研究團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研究，包括對晶格結(jié)構(gòu)的更全面的表征，考慮在線性彈性之外的物理學(xué)，包括傳熱，非線性力學(xué)，振動(dòng)和故障。了解它們在一系列現(xiàn)象中的反應(yīng)，可以更精確地設(shè)計(jì)使用這些新型超材料構(gòu)建的多尺度結(jié)構(gòu)。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw1937

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