研究揭示 3D 打印螺旋填充结构性能，助力多行业部件设计革新

近日，由 ASCC 的研究工程师 Philip Bean、机械工程教授 Senthil Vel 和土木工程教授 Roberto Lopez - Anido 组成的研究团队，将先进计算机建模与物理实验相结合的研究成果发表在《Additive Manufacturing》期刊上。该研究全面揭示了 3D 打印部件中螺旋填充结构在压力下的性能，为多行业部件设计带来新的突破。 研究团队聚焦于常用于 3D 打印的螺旋填充结构，这是一种复杂且重复的内部结构，能在保持结构完整性的同时减轻重量。其在打印物体内部形成格子状图案，可有效分散压力。研究人员先利用计算机模拟分析这些结构对各种力的响应，再通过 3D 打印原型实验验证预测结果。 “这项工作使我们能够更自信、更高效地设计 3D 打印部件。”Bean 表示，该方法扩展了先前的分析技术，能更准确预测有效屈服强度。研究发现为理解复杂内部模式对部件整体性能的影响提供了宝贵见解，这是传统分析方法难以做到的。 “通过了解这些螺旋填充结构的精确强度，我们可以减少材料使用，并提高各行业的性能。”Bean 补充道。此研究对航空航天、汽车和医疗器械制造等需要坚固轻质材料的行业意义重大。与其他 3D 打印模型相比，螺旋填充模型展现出显著的密度强度比，如石墨烯等材料压缩成螺旋结构时，强度可达钢的一倍，密度却仅为钢的 5%。 研究还表明，线性弹性模拟不足以预测屈服强度，需采用弹塑性模型进行非线性分析，且这种方法比复杂模型更有效。研究人员用此方法生成不同密度下压缩和剪切屈服强度的预测数据，并与先前用于陀螺弹性特性的半经验方程关联。这些预测方程能轻松应用于大多数设计工作流程，陀螺填充技术研究侧重于使用 PLA 和 PETG 等材料的组件级研究。 不过，Bean 解释称分析虽与材料无关，但材料需近似各向同性，且这些模型应用于更复杂的各向异性纤维增强 PETG 材料系统时效果不一。他指出，针对螺旋填充物的预测方法特别适合增材制造部件设计，尤其是使用拓扑优化设计方法时，能帮助设计师预测轻质晶格在部件密度变化时的行为。 研究人员开发的简单方法可预测部件强度，不受内部填充密度或制造材料限制，创建的预测公式能与基于密度的优化软件配合使用。Bean 和团队认为，这是改进增材制造部件设计方式的宝贵工具，虽未直接探讨可持续性，但可能通过新颖的轻量化设计支持材料减量，为未来 3D 打印部件设计和多行业发展带来新的可能。