新型仿生微結構為3D打印骨植入物和噴氣發動機鋪平道路

魔猴君  行業資訊   1095天前

普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員設計了一種受大自然啟發的全新多孔結構——它可以進行3D打印。這種新穎的結構基于骨骼和木材等材料，具有稱為旋節線微結構的特殊孔，這些孔可以被修改和微調，以實現各種零件性能和行為。包含這些旋節線微結構的物體通常比完全密集的對應物更輕，同時提供可定制的剛度曲線。

該團隊已經利用 SLA 3D 打印技術制作了幾個基于旋節微結構的零件原型，包括面部植入物和輕型飛機發動機部件。特倫托大學教授 Davide Bigoni 說：“作者找到了一種巧妙的方法，可以在不同架構的區域之間實現連續過渡。這是仿生的終極概念，因為所有自然結構都形成了連續的系統。這是自古以來就知道的事實——‘natura non facit saltus’——自然不會跳躍。”

在骨頭、木頭和角中發現的不同種類的毛孔。圖片來自普林斯頓大學。

許多自然界的結構材料，如骨頭、牛角和木材，都是高度多孔的。除了使材料變輕外，孔隙還可以具有特定的功能，例如允許流體通過。在骨骼的情況下，毛孔也有助于重塑過程，該過程可以增加或減少骨骼的密度，以響應力。因此，工程界可以從模仿自然界的多孔材料中受益匪淺，但開發具有相似特性的合成材料在歷史上一直非常具有挑戰性。普林斯頓團隊在拓撲優化技術的幫助下跨越了這一障礙。這項工作基于一個基本前提，即您可以修改具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微觀結構，這最終意味著可以定制性能。

具體來說，孔的形狀可以像球體、菱形、柱形或扁豆形。通過改變孔的形狀和方向，可以加載具有不同剛度分布的材料，同時可以改變孔的大小以控制材料的密度。“我們擁有一種非常強大的技術，它將材料架構與不同規模的優化相結合，并與增材制造相結合，”該項目的首席研究員 Glaucio Paulino 說。 “從規模化的意義上說，它可以有廣泛的應用，因此它可以應用于納米和微觀技術，以及中尺度和宏觀尺度。”

面部植入物和飛機零件

為了現場測試他們新設計的微結構，研究人員首先 3D 打印了面部骨骼植入物的原型。骨植入物通常由多孔鈦制成，以支持骨整合，從而使骨骼長入植入物的孔中。但是傳統的植入物不能提供與旋節微結構相同的可定制性。

在這種情況下，研究小組將圓柱孔和扁豆形孔結合在一起，制成了一種足夠堅硬以承受咀嚼力和足夠多孔以促進骨骼生長的植入物。盡管該部件是用樹脂制成的原型，但它也可以用生物相容性材料進行 3D 打印，以用于最終用例。“更好的不是基礎材料。更好的是微觀特征，”該研究的合著者 Emily Sanders 補充道。 “理論上，我們可以用任何材料制造支架——最合適的是探索生物相容性材料。”

該團隊還 3D 打印了一個旋節線噴氣發動機支架：一個既堅固又輕便的關鍵飛機部件。在這種情況下，該團隊能夠在整個零件中 3D 打印從一個微觀結構到另一個微觀結構的平滑過渡，連接孔隙網絡，而不會在微觀結構中產生薄弱點。這最終導致了更適合應用的更強大的零件設計。

受生物啟發的 3D 打印面部植入物。圖片來自普林斯頓大學。

正如我們之前多次看到的那樣，增材制造可以極大地受益于模仿已經存在的自然或其他結構。 就在本月，佐治亞理工學院的一個研究項目研究了如何將折紙藝術的原理與 3D 打印結合使用來設計能夠改變形狀的輕質靈活結構。 預計這項工作將應用于從 3D 打印多功能機器人到變形橋和天線等可折疊射頻組件的所有領域。

在其他地方，弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員此前從空氣馬鈴薯植物（薯蕷）的傳播機制中獲得了靈感，用于 4D 打印可根據患者的解剖結構進行自我調整的可穿戴醫療設備。 印刷系統可以預先編程，以便在暴露于濕氣時執行復雜的運動。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/42358.html