福建物构所3D打印仿生结构研究获新进展

具有复合特征的仿生结构因其独特的机械性能，为各种工程应用开发设计具有优异性能的结构提供了绝佳的设计思路。然而，在仿生制造和设计这些复杂精细结构时，在模具成型和复杂结构验证等方面常常受到加工条件限制。3D打印可快速制造各种复杂结构，为仿生结构的设计、制造和验证提供了新方法。

图：仿生a）兼具刚硬和韧性结构来设计b)分级弯曲和拉伸主导的混合晶格结构

在福建省“揭榜挂帅”重大专项和闽都创新实验室自主部署关键技术攻关项目的支持下，中科院福建物质结构研究所吴立新研究员团队面向轻量化3D打印结构在鞋业、汽车等领域的应用开展研究。受自然界生物结构兼具刚度和柔韧性的特征启发，通过分级弯曲和拉伸主导的结构来设计混合架构的晶格。随后，使用纯树脂及高二氧化硅固含的复合材料，通过3D打印方式制备了以上晶格结构，并将其结果与理论分析数据进行比较以验证设计合理性。结果表明，该结构设计比单一晶格拓扑结构的模量和应变能量密度提高了7倍。添加填料进一步将结构的刚度提高12倍以上，且减少了结构屈曲。另外，还评估了带有石墨烯基涂层表面的混合晶格设计特性。所设计的晶格结构具有良好的弹性恢复能力，同时功能化特性也得到了拓展。相关工作发表在国际期刊Additive Manufacturing, 2023, 66, 103451，印度籍博士生Naveen Thirunavukkarasu为该论文的第一作者，翁子骧高级工程师和吴立新研究员为通讯作者。 　　

之前，Naveen Thirunavukkarasu还将3D打印用于防滑鞋底设计（Tribology International, 2022，175, 107823）。仿照树蛙等动物的足底结构进行仿生设计，结合材料研发和有限元计算，通过3D打印获得在潮湿表面仍具良好摩擦力的结构。以上研究结果表明，3D打印可用于具有优异性能的仿生结构制造和验证。 　　

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103451