LLNL开发超轻和超硬的3D打印晶格结构

来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) )的研究人员设计了一类新的3D打印晶格结构的质料这一设计综合了超轻和高刚性的优势只管这一设计打破了早先的设计规则所应该具有的性质。其中这一设计的结构分外的还出现出在差别的偏向施加力的时候均可匀称的举行变形反映。

凭据江苏激光同盟美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家设计了一种新型3D打印晶格结构这种结构综合了超轻结构和高刚度的优势打破了之前认为需要展示此类特性的Maxwell设计规则。他们为此专门开发了一个设计软件使用他们编写的拓扑优化软件建立了两个由微架构桁架组成的奇特单胞设计其中一个被设计为具有各向同性(相同和全方位)质料特性。

LLNL实验室正在连续开展他们的事情包罗完全表征所制备质料的晶格结构的物理特征在逾越其线性弹性模量的前提下包罗传热、非线性机械性能、振动和失效等情况下表征其物理特征。

l 文章泉源: Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. TortorelliChristopher M. Spadaccini“Stiff isotropic lattices beyond the Maxwell criterion” by Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli and Christopher M. Spadaccini, 27 September 2019, Science Advances.:Vol. 5, no. 9, eaaw1937DOI: 10.1126/sciadv.aaw1937以及MITThomas Tancogne-Dejean et al. 3D Plate-Lattices: An Emerging Class of Low-Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness, Advanced Materials (2018). DOI: 10.1002/adma.201803334

研究人员对差别密度的样品举行了测试来视察当他们在差别的角度举行压缩的时候会发生什么现象。实验效果颠覆了经典的八面体棱柱的设计理论。

LLNL的研究团队将这一结果揭晓在顶刊《 Science Advances》上所形貌的那样研究团队在Seth Watts的向导下使用拓扑优化软件设计出两种奇特的单元细胞的晶格设计方案。其组成为微结构桁架其中一个设计成各向同性的质料性质(即各个方位性质均一致)。这些新的结构被制造之后并举行了测试研究发现其性能完胜八进制的棱柱结构这是一种用于3D打印晶格结构时的一种尺度的形状。

轻量化结构的设计同时还可以减轻制造成本燃油消耗和淘汰质料的浪费。同时还拥有其他优点如对工程结构来说可以具有越发优化的结构。LLNL的恒久研究目的是转向缔造和使用LLNL最新的质料数据库。

打破早先的设计规则

经典的设计遵循这一规则时则倾向于各向异性其刚性依赖于载荷的偏向但在最近各向同性设计曾经被报道在叠加互补各向异性晶格的时候得以实现。

以下文章泉源于江苏激光工业技术创新战略同盟 作者江苏激光同盟

让研究人员感应惊讶的是其晶格栅架结构看起来显着违反了Maxwell准则这一准则是一个结构刚性的用于机械设计的处置惩罚措施,该原则假设认为结构能够蒙受的最大的有效载荷变形时只在拉伸的时候。在这一结构中,刚性的巨细同密度呈线性关系 —将质料结构的重量减半的话只是将其刚性举行了减半,相反的是,结构的刚性的有效性则会淘汰三分之一或者八分之一。这一线性的尺度使得缔造出超轻超刚性的机械超质料成为可能。

凭据论文的团结作者Watts一直以来研究人员认为Maxwell 准则在应用低密度的高刚性质料的时候是须要和充实的。LLNL的研究效果证明这一准则不再是一个须要的前提条件。换言之,这里存在大量的棱柱具有这一线性的尺度准则。

这一事情讲明这一新的设计理念将会获得以前认为的所不能获得的更好的质料性能因为这一设计理念违反了传统的设计理念。LLNL研究人员发现这一事情同时也证明晰使用拓扑优化技术之后工程人员可以设计新的结构来完胜接纳传统的设计理念所获得的质料的性能。

具有随机微结构的质料,如泡沫质料,典型的出现出低的机械强度,而设计的具有微结构的格栅结构则经常体现出显著的提高的刚性.这些周期性的架构质料在早先已经被通过一定的规则举行了设计使用的是Maxwell准则来确保他们的变形主要受他们的棱柱的拉伸所制约。

研究人员称各向同性的棱柱结构可以拓展应用于3D打印金属和陶瓷此外这对生物质料的应用如3D打印生物组织需要举行可调制的刚性时是很是重要的。在航天领域也会找到这方面的应用。在无人机中或战斗机中例如需要减轻重量的场所具有双重的意义增加了设备的可操控性和淘汰了设备的惯性使得其具有优异的性能。

“强大”决议于“微小”之间

SEM视察到的使用投影显微立体光刻打印技术获得的经典的八位元晶格和拓扑优化,各向同性扁圆以及准球形八面体晶格。©LLNL

未来用于超轻多孔结构质料的一种平板的晶格结构质料

杨氏模量同 单轴载荷状态的偏向(单元晶格的矢量)之间的关系

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