人体骨骼或将解密如何延长3D打印轻质结构疲劳寿命

泡沫、点阵这样的微结构材料通过几何形状获得了卓越的机械性能,它们具有高刚度和强度,同时又保持极轻的性能。但是如果将具有这类结构的零件应用在耐用设备上,仍需在循环载荷下延长其使用寿命。

根据3D科学谷的市场观察,来自普渡大学等科研机构的研究团队受到天然松质骨骼微观结构的启发,找到了延长这类结构疲劳寿命却极少增加重量的方法。研究团队分析了人类骨骼中水平支撑结构如何“抵抗”磨损的原理,并将这一原理转化为设计3D打印轻量化结构的方法。这类3D打印轻量化结构在应用于建筑物、飞机或其他领域时将具有足够的寿命。

研究论文Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life发表在《美国国家科学院院刊》中。

Bone_1模仿人体骨小梁结构的3D打印聚合物模型。来源:普渡大学

block 水平支撑影响疲劳寿命

人体骨骼通过小梁的海绵状结构获得耐用性,这种海绵状结构是由相互连接的垂直柱状支撑和水平杆状支撑作为柱和梁组成的网络。小梁越密集骨骼在日常活动中就越有弹性,但是疾病和年龄会影响这种密度。

Bone_2人类股骨的图像显示出相互连接的白线,这些线构成了小梁结构。
来源:普渡大学

研究团队指出,当人们衰老时他们的骨骼中首先失去的是水平支撑,这一状况将增加骨骼在多个循环载荷作用下断裂的可能性。研究团队发现,垂直的柱状支撑结构与骨骼的刚度、强度相关,而水平的支撑结构与骨骼疲劳寿命有关。

研究团队进行了机械分析模拟,以确定水平支撑结构在人体骨骼中的作用是否比以前认为的要大。然后,他们设计了具有与骨小梁相似的3D打印聚合物。

Bone_3与骨小梁具有相同数量水平、垂直支撑杆的3D打印模型。
来源:普渡大学

研究团队在循环载荷下对骨骼的微观结构进行仿真时,能够看到应变会集中在这些水平支杆上,并且通过增加这些水平支杆的厚度,能够减轻一些观察到的应变,当向3D打印的聚合物施加载荷时,水平支撑杆越厚,聚合物承受载荷的时间就越长。

研究论文中指出,研究团队通过3D打印的微结构模型发现,水平支撑结构的单元厚度的小幅增加可以使疲劳寿命增加10到100倍,远远超过了相关密度变化的预期。根据普渡大学的报道,研究团队将水平支撑结构的厚度增加约30%时,人造材料的使用寿命可能会延长100倍。

由于增厚水平支撑结构不会显著增加3D打印聚合物的重量,因此研究人员认为,这种设计方式对于创建更具弹性和更长疲劳寿命的轻量化材料具有意义。

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