据外媒报道，缅因大学（University of Maine）的工程师们开发出一种突破性的方法，可以准确预测轻质3D打印物体的强度。这项由该大学先进结构与复合材料中心（Advanced Structures and Composites Center，ASCC）进行的研究，将使设计师能够在几乎任何塑料部件轻量化过程中控制强度，从而创造出更坚固、更可靠的部件。

图片来源： 缅因大学

研究团队成员包括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。他们的研究成果最近发表在《Additive Manufacturing》期刊上，该研究将先进的计算机建模与物理实验相结合，全面揭示了这些部件在压力下的性能。

研究团队特别关注了螺旋填充结构——一种复杂、重复的内部结构，常用于3D打印，以在保持结构完整性的同时减轻重量。螺旋填充结构在打印物体内部形成格子状图案，可有效地将压力分散到整个结构中。研究人员利用计算机模拟分析了这些结构对各种力的响应，并通过在3D打印原型上进行实验验证了这些预测。

“这项工作使我们能够更自信、更高效地设计3D打印部件，”Bean说道。该方法扩展了先前开发的分析技术，能够更准确地预测有效屈服强度。

这些发现为理解这些复杂的内部模式如何影响部件的整体性能提供了宝贵的见解——这通常是传统分析方法无法实现的。

“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。

这项研究对需要坚固轻质材料的行业具有重要意义，包括航空航天、汽车和医疗器械制造。与其他3D打印模型相比，螺旋填充模型表现出了显著的密度强度比。当石墨烯等材料被压缩成螺旋结构时，它们的强度可以达到钢的一倍，同时密度仅为钢的5%。

研究启示

研究表明，线性弹性模拟不足以预测屈服强度，因此需要采用弹塑性模型进行非线性分析，事实证明，这种方法比更复杂的模型更有效。研究人员利用这种方法生成了不同密度下压缩和剪切屈服强度的预测数据，并将其与先前开发的用于陀螺弹性特性的半经验方程联系起来。

此外，这些预测方程可以轻松应用于大多数设计工作流程。陀螺填充技术的研究侧重于使用各种材料（包括PLA和PETG）的组件级研究。

“然而，所进行的分析与材料无关，其局限性在于材料必须近似为各向同性，”Bean解释道。“此外，这些模型后来被应用于更复杂的各向异性纤维增强PETG材料系统，但效果参差不齐。”

Bean表示，这种针对螺旋填充物的预测方法特别适合用于增材制造部件的设计，尤其是在使用拓扑优化设计方法时。他指出，这些模型可以帮助设计师预测轻质晶格在整个部件密度变化时的行为。

“这可以允许整个部件的密度变化，从而提供独特的轻量化机会，”Bean说道。虽然这项研究并未直接探讨可持续性，但Bean指出，它或许可以通过实现新颖的轻量化设计来支持材料减量。

研究人员称：“我们开发了一种简单的方法来预测部件的强度，无论其内部填充密度或制造材料如何。这在设计由3D打印制成的具有复杂内部结构的部件时尤其有用。”

此外，他们创建的预测公式非常简单，可以与基于密度的优化软件配合使用。Bean和研究团队得出结论，这使得它成为改进增材制造部件设计方式的宝贵工具。