緬因大學團隊開發(fā)新方法，精準預測輕質(zhì)3D打印部件強度

導讀：3D打印技術(shù)因能夠制造外殼結(jié)構(gòu)和最少內(nèi)部材料組成的高強度、低重量部件，在航空航天、汽車及建筑等行業(yè)受到廣泛關(guān)注。然而，輕量化部件的結(jié)構(gòu)可靠性一直是制約大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

△預測輕質(zhì)3D打印物體強度的新方法

2025年8月3日，南極熊獲悉，緬因大學先進結(jié)構(gòu)與復合材料中心（ASCC）的研究團隊宣稱，正在研究一種提高輕量化3D打印部件可靠性的新方法，以顯著提升輕量化3D打印部件的可靠性。

領(lǐng)導這項研究的是研究工程師Philip Bean、機械工程教授Senthil Vel和土木工程教授Roberto Lopez-Anido，為解決這一挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種全新的強度預測方法。該方法能夠?qū)⑾冗M的計算機建模與螺旋填充3D打印圖案的實際物理測試相結(jié)合，以評估組件在不同壓力條件下的表現(xiàn)。這一創(chuàng)新不僅有助于優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，還能在保障安全的前提下進一步減輕重量、節(jié)約材料成本。

△螺旋填充結(jié)構(gòu)分析示例

壓力如何影響輕質(zhì)3D打印部件

研究通過結(jié)合先進的計算機建模與實際物理測試，專注于螺旋填充結(jié)構(gòu)——一種常用于3D打印的復雜且重復的內(nèi)部圖案，能夠在減輕重量的同時保持結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)因為能夠均勻分布應(yīng)力而備受青睞。

△四點彎曲夾具中的螺旋夾層試樣

為了深入理解螺旋填充結(jié)構(gòu)在不同負載條件下的性能，研究團隊進行了詳盡的計算機模擬，以預測螺旋填充結(jié)構(gòu)機械響應(yīng)。之后，研究人員制造了實體原型，并進行了實際的壓力測試，驗證了模擬結(jié)果，并進一步揭示了填充結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)行為。

研究人員指出：“半經(jīng)驗方程簡化了強度預測過程，便于將螺旋填充結(jié)構(gòu)應(yīng)用于設(shè)計決策或優(yōu)化程序。通過執(zhí)行壓縮和剪切試驗，我們驗證了有限元分析（FEA）預測的強度與實際制造數(shù)據(jù)之間的一致性。所提出的分析方法可以輕松地拓展到其它填充類型的類似性能預測中。”

△相關(guān)研究已發(fā)表在《additive manufacturing》期刊，題目為“研究螺旋填充體的非線性響應(yīng)以預測有效屈服強度”（傳送門）

螺旋填充提高了性能和材料效率

傳統(tǒng)的分析方法往往難以準確解釋復雜的內(nèi)部幾何形狀。然而，這項研究的方法為理解螺旋填充結(jié)構(gòu)如何影響部件的整體強度和性能提供了新的視角。這種更深入的理解賦予了工程師在平衡材料效率與結(jié)構(gòu)完整性時做出更明智設(shè)計決策的能力。

△剪切模型結(jié)果

研究的首席研究員之一，Bean博士解釋說，這項工作提高了工程師設(shè)計3D打印部件時的信心和效率。通過精確了解螺旋填充結(jié)構(gòu)的強度，設(shè)計師能夠在減少材料使用的同時，提升各行各業(yè)的性能表現(xiàn)。

此外，該研究預計將為航空航天、汽車以及醫(yī)療器械制造等行業(yè)帶來顯著優(yōu)勢，這些領(lǐng)域?qū)Ω邚姸群洼p質(zhì)材料的需求尤為迫切。通過增強強度預測的準確性，這項研究有助于優(yōu)化設(shè)計，從而提升性能和材料的使用效率。