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，这种结构结合了轻量级和高刚度，打破了之前认为需要展示此类特性的规则。另外，其中一个新结构对所有方向的力都显示出完全一致的响应。正如Science Advances发表的一篇论文所述，由工程师Seth Watts共同领导的劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队，使用Watts编写的拓扑优化软件，创建了两个由微架构桁架组成的独特单胞设计，其中一个被设计为具有各向同性(相同和全方位)材料特性。
然后，这些新结构被制造和测试，并被发现优于八位组桁架，这是三维打印网格结构的标准几何图案。令研究人员惊讶的是，这些桁架似乎违反了麦克斯韦准则，这是一种在机械设计中使用的结构刚度理论，该理论认为最有效的承重结构只有通过拉伸才能变形。在这样的结构中，刚度比例与密度成线性关系，将结构的重量减半，而不是效率较低的结构，其刚度会降低四分之三或八分之七。这种线性缩放可以创建超轻、超硬的机械超材料。
该研究的共同作者瓦茨解释说：研究发现，当传统智慧（麦克斯韦标准规则）不能满足时，两个桁架的刚度与密度呈线性比例关系。人们一直认为，麦克斯韦准则既是必要的，也是充分的，可以证明在低密度下具有高刚度。该研究已经证明了这不是一个必要条件。换句话说，有更大一类桁架具有这种线性比例特性。这表明以前的正统观念并不坚定，存在例外，而这些例外实际上可以获得更好的属性。
通过使用投射到光敏聚合物树脂上的光，来逐层构建物体的投影微型立体光刻3D打印工艺，劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队构建了具有重复八面体和整流立方体(ORC)单元格的结构，该单元被设计为比等密度的八面体桁架更坚硬。并且具有重复扁圆形和准球形八面体(OQSO)单元格结构，设计为完全各向同性，因此其机械响应是均匀的，无论在何处施加载荷，然后对设计进行了实验验证。研究人员表示，由于其统一的响应，各向同性格子可以相对于已知甚至未知载荷任意放置。
架能这使工程师能够产生比其他类型桁架(如八位组设计)更坚硬的结构，这种桁架也是超硬的，但只在某些方向上。研究的合著者、劳伦斯利弗莫尔国家实验室工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini说：各向同性桁在用例场景中忽略加载方向。例如，不再需要担心负载来自哪个角度。这项研究确实表明，有一种新方法可以获得更好的性能，但还没有被探索，因为它违反了传统观念。研究人员表示，这项工作还证明，通过使用拓扑优化，工程师可以设计出比传统“按规则设计”方法创建结构更好的新结构。
共同首席作者陈文晨（音译）在劳伦斯利弗莫尔国家实验室担任博士后期间领导了实验和机械测试工作，现在是马萨诸塞大学阿姆赫斯特大学机械工程助理教授，陈文晨测试了不同密度的样品，看看当它们以不同角度压缩时会发生什么，以验证它们的各向同性特性。陈文晨表示：对结果感到惊讶，而且这项研究已经“改善了”取代经典八位组桁架设计的希望。这表明可以使用这个计算工具来设计结构，以满足目标性能，这为建筑材料开辟了一种新的设计模式。
其次，它提高了建筑设计的机械效率，对于可能具有复杂应力状态的环境，希望尽可能使其各向同性。这扩展了格子的应用范围，因为在实际应用中，通常需要一种可以从多个方向承受载荷的材料。这项研究是陈文晨正在进行使用计算方法优化3-D打印部件设计工作的一部分，各向同性结构完全是通过计算机建模设计。新的设计以及用于开发它们的算法正在被整合到利弗莫尔设计优化(LIDO)代码中，以使这些进步可用于其他实验室编程领域。例如，研究人员已经使用这种方法为国家点火设施应用开发了一个定制的单元电池。
各向同性桁架可以延伸到3D打印的金属和陶瓷中，并证明在任何需要硬度的地方都很有用，但需要轻质材料，例如在3D打印组织等生物应用中，刚度可调是必不可少的。航空航天领域也需要这些特性。例如，在无人机或战斗机中，减轻结构重量具有增加机动性和减少惯性力的双重好处，从而实现极端性能。轻量级设计还可以减少生产成本、燃料使用和材料浪费，并且随着工程师转向更优化的结构，还会带来许多其他好处。最新研究是劳伦斯利弗莫尔国家实验室为设计具有专门为实验室任务量身定做属性的新单位细胞库，而同时进行的几项努力之一。
Spadaccini说：我们希望将设计空间扩展到直观设计之外，长期希望是，不再只是在文献中挑选最新的格子设计，而是转向创建和使用我们自己的材料库，可以使用这些方法来满足特定需求，因此材料的性能会更好。最终希望劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程分析师将其作为一种设计工具来使用。研究团队正在继续研究，包括对晶格结构的更全面的表征，考虑在线性弹性之外的物理学，包括传热，非线性力学，振动和故障。了解它们在一系列现象中的反应，可以更精确地设计使用这些新型超材料构建的多尺度结构。
博科园｜研究/来自：劳伦斯利弗莫尔国家实验室
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aaw1937
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