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普渡大学科学家用3D打印开发出能量吸收材料

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:天工社

2015-11-30 14:30

    近日,普渡大学(Purdue University)的研究人员与通用汽车公司联手开发出了一种新型的3D打印能量吸收材料。这种材料可以用于从抗震建筑到更安全的橄榄球头盔等诸多应用。

    许多年来,3D打印技术已经被用于开发拥有复杂内部架构的材料,而这些材料使用其他制造手段根本无法实现。比如,3D打印的迷你网格结构,极富弹性而且重量又轻,在航空航天和汽车工程领域非常有用。波音公司就是使用3D打印技术实现经过精确设计和具有复杂结构材料的几家公司之一,这家飞机制造商最近展示了其号称“世界最轻金属”的3D打印迷你网格材料。

    普渡大学和通用汽车这次开发的3D打印材料,在功能上类似波音的迷你网格,不过其独特的蜂窝状结构,使得这种材料具有非常高的能量吸收能力。理论上说这种蜂窝状结构可以缩放到任意大小,使其具有非常广泛的潜在用途。比如这种“阶段转换多孔材料(PXCMs)”小尺寸的可以用于头盔制造,以提供更大的减震性和尽量减少头部受伤;它的大型结构可以用于建筑外墙,以遏止地震的破坏作用。

    “这种材料的主要优点在于,它不仅可以吸收能量,而且与其他PXCMs材料不同的是,它可以反复使用,因为它产生的并不是不可逆的变形。”普渡大学Lyles土木工程学院副教授Pablo Zavattieri说。

    虽然研究表明这种3D打印的PXCMs可用于各种用途,但是科学家们承认,这种材料要真正实现商业化仍然有很多工作要做。“不同尺度的PXCMs所具备的能量吸收能力可以使工程师们在结构设计中使用它,使得该结构同样具备这种非常有用的功能。”通用汽车公司全球研发中心智能材料与结构小组的Nilesh D. Mankame说,“目前它还处于基础材料研究领域,有很大的应用前景,不过现在还不能用于商业应用。”

    3D打印的PXCMs所组成的结构能够来来回回的收缩扩展。“它有两个稳定的位置(或状态)。”Zavattieri说。“当我推它的时候它会转到另外一个位置。如果您撤销了这个力,该结构将回到原来的位置,这一机制被认为是亚稳态或者双稳态的。然后你可以将许多类似的结构结合在一起,通过灵活地设计使其满足特定的要求。”

    研究人员们对将这种柔性的材料的应用前景很有信心。“这种由单位结构的机械行为所具备的能量耗散能力可以与基本材料固有的能量耗散能量相叠加。”Mankame说,“有很多新兴材料,比如铝、镁和纤维增强的复合材料等,在需要更多的内在能量耗散的行业如运输、军工和建筑行业中发挥着日益重要的作用,而将PXCMs材料结构与这类基本材料相结合可以增加其能量吸收能力。”

    此外,这种3D打印材料的蜂窝结构也可以调整以适应各种不同的用途。研究人员认为,正方体、四面体和五边形等具有不同的能量吸收特性。“事实上,我们证明了这种PXCMs具有与传统的金属蜂窝结构相同的能量耗散水平,这就为将其用于更为广泛的领域打开了大门,无论是制造高层建筑的被动耗能阻尼器还是用于人体的保护等。”博士生David Restrepo说。

    研究人员们将其全部研究成果发表在了9月份的《Extreme Mechanics Letters》杂志上,论文题目就是《阶段转换多孔材料(Phase transforming cellular materials)》。