人體骨骼或?qū)⒔饷苋绾窝娱L(zhǎng)3D打印輕質(zhì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命

魔猴君  行業(yè)資訊   1776天前

泡沫、點(diǎn)陣這樣的微結(jié)構(gòu)材料通過幾何形狀獲得了卓越的機(jī)械性能，它們具有高剛度和強(qiáng)度，同時(shí)又保持極輕的性能。但是如果將具有這類結(jié)構(gòu)的零件應(yīng)用在耐用設(shè)備上，仍需在循環(huán)載荷下延長(zhǎng)其使用壽命。

根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場(chǎng)觀察，來自普渡大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)受到天然松質(zhì)骨骼微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，找到了延長(zhǎng)這類結(jié)構(gòu)疲勞壽命卻極少增加重量的方法。研究團(tuán)隊(duì)分析了人類骨骼中水平支撐結(jié)構(gòu)如何“抵抗”磨損的原理，并將這一原理轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)3D打印輕量化結(jié)構(gòu)的方法。這類3D打印輕量化結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于建筑物、飛機(jī)或其他領(lǐng)域時(shí)將具有足夠的壽命。

研究論文Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》中。

模仿人體骨小梁結(jié)構(gòu)的3D打印聚合物模型。來源：普渡大學(xué)

水平支撐影響疲勞壽命

人體骨骼通過小梁的海綿狀結(jié)構(gòu)獲得耐用性，這種海綿狀結(jié)構(gòu)是由相互連接的垂直柱狀支撐和水平桿狀支撐作為柱和梁組成的網(wǎng)絡(luò)。小梁越密集骨骼在日?；顒?dòng)中就越有彈性，但是疾病和年齡會(huì)影響這種密度。

人類股骨的圖像顯示出相互連接的白線，這些線構(gòu)成了小梁結(jié)構(gòu)。

來源：普渡大學(xué)

研究團(tuán)隊(duì)指出，當(dāng)人們衰老時(shí)他們的骨骼中首先失去的是水平支撐，這一狀況將增加骨骼在多個(gè)循環(huán)載荷作用下斷裂的可能性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，垂直的柱狀支撐結(jié)構(gòu)與骨骼的剛度、強(qiáng)度相關(guān)，而水平的支撐結(jié)構(gòu)與骨骼疲勞壽命有關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了機(jī)械分析模擬，以確定水平支撐結(jié)構(gòu)在人體骨骼中的作用是否比以前認(rèn)為的要大。然后，他們?cè)O(shè)計(jì)了具有與骨小梁相似的3D打印聚合物。

與骨小梁具有相同數(shù)量水平、垂直支撐桿的3D打印模型。

來源：普渡大學(xué)

研究團(tuán)隊(duì)在循環(huán)載荷下對(duì)骨骼的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)，能夠看到應(yīng)變會(huì)集中在這些水平支桿上，并且通過增加這些水平支桿的厚度，能夠減輕一些觀察到的應(yīng)變，當(dāng)向3D打印的聚合物施加載荷時(shí)，水平支撐桿越厚，聚合物承受載荷的時(shí)間就越長(zhǎng)。

研究論文中指出，研究團(tuán)隊(duì)通過3D打印的微結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，水平支撐結(jié)構(gòu)的單元厚度的小幅增加可以使疲勞壽命增加10到100倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相關(guān)密度變化的預(yù)期。根據(jù)普渡大學(xué)的報(bào)道，研究團(tuán)隊(duì)將水平支撐結(jié)構(gòu)的厚度增加約30％時(shí)，人造材料的使用壽命可能會(huì)延長(zhǎng)100倍。

由于增厚水平支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)顯著增加3D打印聚合物的重量，因此研究人員認(rèn)為，這種設(shè)計(jì)方式對(duì)于創(chuàng)建更具彈性和更長(zhǎng)疲勞壽命的輕量化材料具有意義。