苏黎世联邦理工学院3D打印出最坚硬的网格结构

2018-12-22 08:58

在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和麻省理工学院（MIT）的研究人员的共同努力下，一种材料被3D打印出来，其刚度明显接近物理定律所允许的刚度重量比的理论最大值。任何给定材料中最坚硬的格式是完全固体的格式，但这也是该材料最重的格式，通常对于预期的应用程序来说太重了（而且很浪费）。以飞机为例：它们的框架必须是刚性的，这样飞机才不会被轻微的气流压垮，但如果用实心钢建造框架，飞机就会重得飞不起来。

相反，工程师们使用几何图形从最少的材料中提取出最多的刚度：拱、桁架和梁都是将材料排列成最坚硬的几何形状的施工方法，以便在保持足够的刚度完成特定任务的同时最小化材料的使用和体积。

但苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）材料计算建模教授德克莫尔（Dirk Mohr）知道，还有更坚固的几何结构可用，他解释说，“桁架原理非常古老；长期以来，它被用于半木结构房屋、钢桥和铁塔，如埃菲尔铁塔。我们可以透过桁架格看到它们，所以它们通常被认为是理想的轻量结构。然而，利用计算机计算、理论和实验测量，我们现在已经建立了一个新的板格结构家族，它比同样重量和体积的桁架结构要坚固三倍。”

板格不仅以刚度（弹性变形阻力的测量）打破记录，而且以强度（不可逆变形阻力的测量）打破记录。与大多数施工方法不同的是，刚度和强度在所有三个维度上都是相等的。但对于埃菲尔铁塔来说，这就不能这么说了，因为它的设计主要是为了抵抗向下的力，或重力。几乎不需要侧向力就能把塔撞翻，好在金刚不存在，无法验证这一理论。

这些晶格结构是用计算机模型设计的，这些模型可以实时计算它们的力学性能。然后他们被3D打印在微米尺度上进行测试。莫尔指出，强度增加将适用于所有材料和所有规模。他说：“轻型建筑目前的成本限制了它在飞机制造和空间应用方面的实际用途，因此它也可以被广泛应用于重量起作用的各种应用。”

从摩天大楼到医疗植入物再到汽车零部件，这些3D打印的网格结构可以让它们变得更轻更结实。莫尔说：“当时机成熟时，只要轻质材料大规模生产出来，这些周期性的板格就会成为设计的首选。”