美国两大学利用3D打印开发新型可设计微观多孔结构，对比传统材料更轻应用广泛

2022年4月27日，南极熊获悉，普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员，受大自然早已存在的微观孔隙启发，研发了一种使用骨骼和木材等作为3D打印原材料，可实现多孔结构的新技术。

△该团队在骨头、木头和动物角中发现的不同种类的微孔，受此启发。图片来自普林斯顿大学

这种全新的结构，据称有着旋节线微结构的特殊孔，特点是这些孔可以被设计和微调，以适用于各种零件和特殊性能。另外，使用这些多孔结构制造的物体，通常比完全密集的对应物更轻，同时可提供定制的刚度和曲线。

该团队已经利用SLA 3D打印技术制作了几个基于旋节微结构的零件原型，包括面部植入物和轻型飞机发动机部件。

Trento大学教授 Davide Bigoni说：“该研发团队找到了一种巧妙的技术方法，可以在不同架构之间实现平滑过渡（无论制造什么），这是仿生学的终极目标。”

△该研究的更多细节可以在标题为《用于多尺度设计和制造的旋节线构架材料》的论文中找到。（点我传送门）

微观发现，它们都有洞
许多自然界的结构材料，如骨头、牛角和木材，都是高度多孔的。除了使材料变轻外，孔隙还可以具有特定的功能，比如允许液体通过。对于骨骼来说，微孔也有助于重塑过程，在外力的作用下，微孔可以增加或减少骨骼的密度。

因此，工程学如果可以模仿自然界的多孔结构，就可以获得质的提升，但开发具有相似特性的合成材料非常具有挑战性。

普林斯顿团队在拓扑优化技术的帮助下找到了解决方案。在开发这项技术之前，它们设想的目标是，可以修改具有不同尺寸、形状和方向的孔的微观结构，实现可以个性化定制目标。

具体来说，该技术可以设计孔的形状，例如设计成球体、菱形、柱形或扁豆形。或者通过改变孔的形状和方向，可以加载具有不同刚度分布的材料，同时可以改变孔的大小以控制材料的密度。

“这项新技术特别强大，它将材料架构与不同规模的优化相结合，并且与增材制造可以完美配合，”该项目的首席研究员Glaucio Paulino说。“从规模化的意义上说，它可以有着广泛的应用，因此它可以应用于纳米和微观技术，以及中尺度和宏观尺度结构。”

△受生物微观多孔结构启发的3D打印面部植入物。图片来自普林斯顿大学

面部植入物和飞机零件
为了测试他们微结构的性能，研究人员首先使用3D打印了面部骨骼植入物的原型。传统的材料通常采用金属钛制成，但使用它们的微孔骨骼植入物，不仅结构更加轻量化，还可使骨骼更好的相融，这是传统的面部骨骼植入物与可定制旋节微结构不能对比的。

在这种情况下，研究小组将柱状孔和扁豆形孔结合在一起，形成了一种足够坚硬，可以承受咀嚼力和可以促进骨骼生长的微孔植入物。尽管测试部件用的是树脂制成的原型，但它同样适用于生物相容性材料进行3D打印，未来会进一步进行测试。

“更好的不是基础材料。而是微观特征，”该研究的合著者Emily Sanders补充道。“理论上，我们可以用任何材料制造更加强大的结构——这里面的奥秘就是生物相容性材料。”

该团队还使用3D打印了一个微孔结构喷气发动机支架：一个既坚固又轻便的航空关键部件。同时，该团队能够在整个3D打印零件中，从一个微观结构到另一个微观结构的平滑过渡，通过理解生物孔隙原理，而不会在微观结构中产生薄弱点。未来可能会更适合应用于更强大的零件设计。