美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構

作者： 侯章浩，田小永
來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

螺旋結構普遍存在于動植物結構中，而這些生物結構往往具有較高的損傷抗性，具有優(yōu)異的抗斷裂性能。然而傳統(tǒng)工藝難以制造出復雜的仿生結構，許多優(yōu)異的生物結構高性能機理無法進一步研究。美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發(fā)的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。

Zaheri等將研究成果發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上，在文中系統(tǒng)分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，發(fā)現(xiàn)甲蟲根據根據不同生命階段的生物需求，鞘翅中纖維的排布是不同的，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現(xiàn)不完全的螺旋排布。這是因為在幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此通過纖維完全排布達到高剛度的生物目的；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。

圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態(tài)：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）

論文中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了系統(tǒng)分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。

生物中有很多優(yōu)異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料和新結構的設計提供嶄新的設計思路。類似螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現(xiàn)途徑，未來，隨著3D打印的發(fā)展仿生研究將進入全新的領域。

作者： 侯章浩，田小永
來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室