改变晶格形状可使3D打印树脂拉胀结构的承载能力提高四倍

       印度泰米尔纳德邦韦洛尔理工大学（VIT，vit.ac.in）的研究人员发现，在材料、打印机和测试条件保持不变的情况下，改变树脂 3D 打印拉胀晶格的胞元形状，可将其峰值载荷提高约 4 倍、能量吸收提高约 3 倍。该研究以 Article in Press 形式发表于《科学报告》（Scientific Reports），将星形 - 三角形晶格与更受关注的凹角六边形晶格进行了对比测试。

     拉胀结构具有负泊松比。它们在受挤压时横向收缩、受拉伸时横向变宽，这种特性源于其几何形状而非基础材料。研究团队指出，鲜有研究对树脂 3D 打印的拉胀晶格进行考察，而在不改变树脂或测试条件的情况下对比不同几何形状的研究更是少之又少。

 两种胞元几何，同一种树脂

       两种晶格均使用 Autodesk Fusion 360 建模，单胞高 10 mm，壁厚 1 mm，杆件倾角 30 度。凹角六边形（编号 NA）由两根平行支柱和四根内倾支柱组合而成。星形 - 三角形胞元（编号 NB）连接四根倾斜支柱，并包含由 6.25 mm 半径定义的弧形杆件。胞元被排列成高 30 mm、深 20 mm 的块体。六边形块体宽 32 mm、重 7 g，星形块体宽 35 mm、重 10 g。试样采用 Anycubic 标准光敏树脂，在 Creality LD-002R 树脂打印机上制造 —— 该打印机通过 LCD 屏幕透射的紫外光逐层固化树脂。文件在 CHITUBOX 中进行切片，层厚 0.05 mm，每层曝光 6 秒，底层曝光 50 秒。打印件浸入异丙醇中清除晶格空腔内的未固化树脂，然后进行紫外后固化。每种设计各制作 4 个试样。

凹角六边形结构的单胞。图片来自《科学报告》。

压缩测试与仿真验证

      压缩测试参照 ASTM D695 的通用规程，在配备 10 kN 测力传感器的 Tinius Olsen H10KL 万能试验机上进行。由于晶格块体不符合该标准规定的实心试样尺寸，作者沿用了标准的加载设置、试验步骤和数据采集方法。每个块体以 2 mm/min 的速度压缩，直至压缩至原高度的 40%，测试温度约 25°C，相对湿度 50% 至 60%。能量吸收根据每个试样载荷曲线下方的面积估算。团队还在达索系统（Dassault Systèmes）的 Abaqus 中建立了有限元模型。为验证该模型，他们首先复现了一项 ABS 晶格仿真（DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.07.149）。新模型的最大冯・米塞斯应力和最大位移与已发表数值的偏差分别仅为 2.91% 和 2.63%。随后将树脂的材料属性代入模型进行其余分析。在两个模型中，应力均集中在凹角节点处，晶格随胞壁向内折叠而逐层坍塌。

立体光固化（SLA）3D 打印机 Creality LD-002R 的图片。图片来自《科学报告》。

星形 - 三角形晶格承受更高载荷

        星形 - 三角形块体在强度和能量吸收方面均优于六边形。试样 NB1 取得了全研究最高值：在位移 1.6 至 1.8 mm 处达到 3.8 MPa 的峰值应力和约 2,700 N 的峰值力，随后急剧下降。NB1 也是所有试样中能量吸收最高的，紧随其后的是 NB2，峰值应力 3.1 MPa、峰值力 2,200 N，作者称 NB2 在峰值后的响应更为平缓。研究人员将星形设计的优势归因于其拥有更多连接节点，以及晶格内更有效的载荷传递路径。在六边形试样中，NA3 录得最高峰值应力，为 0.89 MPa、660 N，不过其大部分载荷是在试验后期胞元压实过程中累积的。NA4 在其组内表现出最陡的初始刚度和最高的能量吸收。总体而言，六边形承受的载荷较低，但坍塌时变形更均匀。

表格

     基于这些结果，作者建议将凹角六边形用于缓冲类应用，如生物医用植入器械、人体工学产品、鞋底和软性衬垫；星形 - 三角形设计则推荐用于要求强度和抗冲击性的场景，包括航空航天夹芯板、汽车碰撞吸能装置和防护装备。

样本量小，结论受限

        四个星形 - 三角形试样的峰值应力介于 0.6 MPa 至 3.8 MPa 之间，其中 NB3 甚至低于三个六边形试样。作者承认，试样数量过少使其无法计算标准差、置信区间或误差棒。他们呼吁扩大测试批次以确立统计学显著性，并将直接测量泊松比、冲击加载、疲劳行为以及面向应用的优化列为未来研究方向。

胞元形状：被测变量

        VIT 的这项研究针对拉胀领域一个特定的空白：不同晶格几何形状很少在树脂、打印工艺和测试方案全部固定的条件下进行正面比较。因此，树脂打印晶格的压缩性能在多大程度上仅由胞元形状决定，这一问题尚无答案。通过让两种设计共用同一种树脂、同一台打印机、同一套后处理流程和同一套压缩测试装置，团队将几何形状分离为唯一变量。

      澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）发表于《复合材料结构》（Composite Structures）的一项研究，也将一种新型拉胀设计与传统凹角蜂窝进行了对比测试，并将其增益归功于结构而非材料。该团队的结构刚度是现有拉胀材料的 13 倍，能量吸收高出 10%。研究还发现，更厚的非对角梁可提高刚度，而对角梁之间更宽的间距可改善能量吸收。与 VIT 工作的重叠之处在于凹角基准以及将几何形状视为性能驱动因素这一思路；不同之处在于，RMIT 使用柔性 TPU 打印原型，而 VIT 使用标准光敏树脂测试晶格。

      两项研究共同将晶格几何形状定位为可针对吸能部件进行调优的设计输入，而 VIT 的研究结果将这一工作延伸到了树脂打印晶格领域。该研究题为 "DOI: 10.1038/s41598-026-73142-1"，作者为 Pranjal Rukmangad、Benedict Thomas 和 Gunji Bala Murali。

    来源：中国3D打印网编译文章！