具有復(fù)合特征的仿生結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的機(jī)械性能，為各種工程應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)提供了絕佳的設(shè)計(jì)思路。然而，在仿生制造和設(shè)計(jì)這些復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，在模具成型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)驗(yàn)證等方面常常受到加工條件限制。3D打印可快速制造各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證提供了新方法。

在福建省“揭榜掛帥”重大專項(xiàng)和閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自主部署關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳立新研究員團(tuán)隊(duì)面向輕量化3D打印結(jié)構(gòu)在鞋業(yè)、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用開展研究。受自然界生物結(jié)構(gòu)兼具剛度和柔韌性的特征啟發(fā)，通過分級(jí)彎曲和拉伸主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)混合架構(gòu)的晶格。隨后，使用純樹脂及高二氧化硅固含的復(fù)合材料，通過3D打印方式制備了以上晶格結(jié)構(gòu)，并將其結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比單一晶格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模量和應(yīng)變能量密度提高了7倍。添加填料進(jìn)一步將結(jié)構(gòu)的剛度提高12倍以上，且減少了結(jié)構(gòu)屈曲。另外，還評(píng)估了帶有石墨烯基涂層表面的混合晶格設(shè)計(jì)特性。所設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)具有良好的彈性恢復(fù)能力，同時(shí)功能化特性也得到了拓展。相關(guān)工作發(fā)表在國際期刊Additive Manufacturing, 2023, 66, 1034*1，印度籍博士生Naveen Thirunavukkarasu為該論文的第一作者，翁子驤高級(jí)工程師和吳立新研究員為通訊作者。

圖：仿生a）兼具剛硬和韌性結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)b)分級(jí)彎曲和拉伸主導(dǎo)的混合晶格結(jié)構(gòu)

之前，Naveen Thirunavukkarasu還將3D打印用于防滑鞋底設(shè)計(jì)（Tribology International, 2022，17*, 107*23）。仿照樹蛙等動(dòng)物的足底結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，結(jié)合材料研發(fā)和有限元計(jì)算，通過3D打印獲得在潮濕表面仍具良好摩擦力的結(jié)構(gòu)。以上研究結(jié)果表明，3D打印可用于具有優(yōu)異性能的仿生結(jié)構(gòu)制造和驗(yàn)證。

來源：福建物構(gòu)所

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