3D打印的一個(gè)常見缺點(diǎn)是其生產(chǎn)的部件的強(qiáng)度不如傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的部件強(qiáng)。然而，隨著材料和方法的不斷發(fā)展，3D打印部件展現(xiàn)出的強(qiáng)度和耐用性與其傳統(tǒng)制造的部件相當(dāng)，甚至超越其性能。現(xiàn)在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一對研究人員開發(fā)出了比其他用于建筑的材料強(qiáng)得多的3D打印材料。

工程物理學(xué)教授Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger 3D打印了一種材料，其行為與Cosserat彈性理論一致，也被稱為微極彈性。在高壓力環(huán)境下分析其物理性能時(shí)，物質(zhì)底層結(jié)構(gòu)中的理論因素。 Lakes和Rueger使用該理論設(shè)計(jì)了一種聚合物晶格，其彎曲剛度比經(jīng)典彈性理論預(yù)測的高30倍。格子由排列成重復(fù)十字交叉設(shè)計(jì)的聚合物帶組成，可以增加強(qiáng)度和耐用性。

“如果你的材料中有底層結(jié)構(gòu)，比如一些泡沫，格子和纖維增強(qiáng)材料，那么它比經(jīng)典彈性理論可以處理的自由度更大，”Lakes說。 “所以我們正在研究材料的自由行為，而不是標(biāo)準(zhǔn)理論所預(yù)期的方式?！?/span>

材料自由打開了創(chuàng)造不受壓力集中影響的新材料的大門，即比任何其他材料都更加堅(jiān)韌。實(shí)際應(yīng)用可能包括使飛機(jī)機(jī)翼更加抗裂。如果飛機(jī)機(jī)翼出現(xiàn)裂縫，應(yīng)力集中在裂縫周圍，使機(jī)翼更弱。

“你需要一定的壓力來打破某些東西，但如果它有裂縫，你可以用較小的壓力來打破它，”湖區(qū)說。

然而，Cosserat理論產(chǎn)生了壓力分布不同的材料，使其變得更加困難。這種行為可以在骨頭以及某些類型的泡沫中看到。但是，當(dāng)制作泡沫座墊時(shí)，工程師對泡沫的底層結(jié)構(gòu)沒有太多的控制，因此他們對裁剪Cosserat效果的能力有限。

然而，Lakes和Rueger可以在其3D打印材料中調(diào)整Cosserat效果，使其非常強(qiáng)大。

“我們開發(fā)了一種材料，我們對格子的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非常詳細(xì)的控制，這使我們能夠在彎曲和扭轉(zhuǎn)材料時(shí)獲得非常強(qiáng)大的效果，”Lakes說。

大多數(shù)建筑物，包括建筑物，飛機(jī)，橋梁和電子設(shè)備都是根據(jù)經(jīng)典彈性理論設(shè)計(jì)的 - 但基于Cosserat理論的這種新設(shè)計(jì)形式可以產(chǎn)生出眾的材料。 通過3D打印材料，工程師可以更好地控制其性能和結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)導(dǎo)致一種新的建筑方式，或者至少可以設(shè)計(jì)某些部件，例如前述的飛機(jī)機(jī)翼。

Rueger和Lakes在題為“橫向各向同性聚合物晶格中的強(qiáng)Cosserat彈性”的論文中發(fā)表了他們的工作，您可以在這里找到它。