江苏激光联盟导读：美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家设计了一种新型3D打印晶格结构，这种结构综合了超轻结构和高刚度的优势，打破了之前认为需要展示此类特性的Maxwell设计规则。他们为此专门开发了一个设计软件，使用他们编写的拓扑优化软件，创建了两个由微架构桁架组成的独特单胞设计，其中一个被设计为具有各向同性(相同和全方位)材料特性。
SEM观察到的使用投影显微立体光刻打印技术得到的经典的八位元晶格和拓扑优化,各向同性扁圆以及准球形八面体晶格
SEM观察到的使用投影显微立体光刻打印技术得到的经典的八位元晶格和拓扑优化,各向同性扁圆以及准球形八面体晶格
投影显微立体光刻 打印技术
具有随机微结构的材料,如泡沫材料,典型的呈现出低的机械强度,而设计的具有微结构的格栅结构则经常表现出显著的提高的刚性.这些周期性的架构材料在早先已经被通过一定的规则进行了设计，使用的是Maxwell准则来确保他们的变形主要受他们的棱柱的拉伸所制约。经典的设计遵循这一规则时则倾向于各向异性，其刚性依赖于载荷的方向，但在最近，各向同性设计曾经被报道在叠加互补各向异性晶格的时候得以实现。我们使用拓扑优化设计了刚性的各向同性晶格，这是一种基于连续有限元分析的办法。在这里，我们为大家展示了基于这些晶格设计进行3D打印的实验，证实了预测的性能和展示了他们在按照规则设计后所得到的结果的有效性，尽管看起来有些违反了Maxwell准则。这些研究发现进一步证明了拓扑优化在设计前所未有的材料的性能方面的独特的潜力。
投影显微立体摄影术 为基础的3D打印制造聚乙二醇二丙烯酸酯时所得到的格栅材料
来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人员设计了一类新的３D打印晶格结构的材料，这一设计综合了超轻和高刚性的优势，尽管这一设计打破了早先的设计规则所应该具有的性质。其中这一设计的结构额外的还呈现出在不同的方向施加力的时候均可均匀的进行变形反应。
正如他们将这一成果发表在顶刊《 Science Advances》上所描述的那样，一个LLNL的研究团队在Seth Watts的领导下，使用拓扑优化软件，他们设计出两种独特的单元细胞的晶格设计方案。其组成为微结构桁架，其中一个设计成各向同性的材料性质（即各个方位性质均一致）。这些新的结构被制造之后并进行了测试，研究发现其性能完胜八进制的棱柱结构，这是一种用于３D打印晶格结构时的一种标准的形状。
杨氏模量同 单轴载荷状态的方向（单元晶格的矢量）之间的关系
让研究人员感到惊奇的是，其晶格栅架结构看起来明显违反了Maxwell准则,这一准则是一个结构刚性的用于机械设计的处理办法,该原则假设认为结构能够承受的最大的有效载荷变形时只在拉伸的时候.在这一结构中,刚性的大小同密度呈线性关系 —将材料结构的重量减半的话只是将其刚性进行了减半,相反的是,结构的刚性的有效性则会减少三分之一或者八分之一.这一线性的尺度使得创造出超轻,超刚性的机械超材料成为可能.
我们发现这一两个栅格结构所得到的材料的刚性在传统的设计准则时同密度也是呈线性的关系 —这一Maxwell 准则在此时并不生效,论文的联合作者Watts解释说,一直以来我们认为Maxwell 准则在我们应用低密度的高刚性材料的时候是必要和充分的.我们的研究结果证明这一准则不再是一个必要的前提条件.换言之,这里存在大量的棱柱具有这一线性的尺度准则.
我们的研究结果证明早先的理论并不正确,Watts补充到,这里也存在例外,并且这一例外确实可以让你得到更加好的材料性质.
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通过投影显微立体摄影术3D打印工艺,该工艺是使用光来投影到一个光敏感的聚合物树脂中来层层构建目标物体的,LLNL的研究团队利用这一技术来通过不断重复的设计的刚性同同等密度的八面体棱柱的刚性几乎一样的八面体与正立方的单元晶格来打印.结果其机械性能在机械载荷不管在那个方向施加的时候都是均匀的.这一设计理念经过了实验验证,也是正确的.
研究人员称,由于均匀的反应,各向同性晶格可以任意的依据已知的或者说是未知的进行任意的空间排列和承受载荷,使得工程设计人员可以制造出比以前的棱柱结构如八面体设计的结构的刚性要好得多.同时以前的设计所得到的超高刚性也只在特定的方向上才能获得.
这一各向同性栅格结构使得你在考虑应用场景的时候可以不用理会载荷的方向,该论文的合作者Chris Spadaccini说到,他是LLNL实验的工程材料和制造中心的主任,例如,你将不再需要担心载荷的施加角度问题.这一工作表明这一新的设计理念将会使你得到以前你所不能得到的更好的材料性能,因为这一设计理念违反了传统的设计理念.
研究人员说,这一工作同时也证明了使用拓扑优化技术之后,工程人员可以设计新的结构来,完胜采用传统的设计理念所得到的材料的性能.
论文的联合作者Wen Chen对不同密度的样品进行了测试来观察当他们在不同的角度进行压缩的时候会发生什么现象来展示他们的各向同性的性质.Chen说,实验结果非常令人惊讶并且研究证明了结果确实改变了原先的承诺,这一结果颠覆了经典的八面体棱柱的设计理论.
目前这一结果表明在你使用计算工具来设计材料的结构来满足你的目标性能的时候,这就为设计新的结构材料打开了一扇新的大门,Chen说到,第二,他证明了栅格设计的材料的机械的有效性.对于应用在复杂应力状态的场合,你期望该材料是具有各向同性的.这就解释了我们的晶格结构的有效性,因为在一个真实的应用场合,你经常需要一个新的材料满足不同载荷方向施加力的应用问题.
目前这一工作是LLNL正在开展的使用计算模拟的办法来优化设计3D打印部件的一部分工作。Watts，工作在LLNL的设计和优化中心，说，各向同性的材料结构的设计完全是通过计算模型来实现 的。这一新的设计，同算法一起来发展起来的，正在整合进利弗莫尔的设计优化代码中来使得这一现在的技术可以有效的应用于实验室的其他应用方案的场合。例如，研究人员已经使用这一办法发展了一个定制的单元用于美国国家点火设施的应用。
研究人员同时宣称各向同性的棱柱结构可以拓展应用于3D打印金属和陶瓷，并且证明其刚性，在超轻材料时也是需要的。这对生物材料的应用，如3D打印生物组织，需要进行可调制的刚性时是非常重要的。在航天领域也会找到这方面的应用。在无人机中或战斗机中，例如，需要减轻重量的场合具有双重的意义，增加了设备的可操控性和减少了设备的惯性，使得其具有极端优异的性能。
轻质结构的设计同时还可以减轻制造成本，燃油消耗和减少材料的浪费。同时还拥有其他优点，如对工程结构来说可以具有更加优化的结构。Watts说到。研究人员同时在文中对当前LLNL正在开展的工作也做了介绍，他们正在设计一个类似图书馆的栅格单元细胞的具有定制性能的设计的数据库。
我们需要拓展设计的边界并超过直观的设计，Spadaccini说到，我们的长期研究目标是从仅仅选择最新文献中的晶格设计来转向创造和使用我们最新的材料数据库。我们可以使用这些办法来满足我们特殊的要求，并且材料将会获得优异的性能。最终，我们将像我们在LLNL的工程分析师一样使用这一设计办法来作为设计的工具。
Watts及其团队正在持续开展他们的工作，包括一个完全的表征所制备材料的晶格结构，考虑其物理性质在超越其线性弹性模量的前提下，包括传热，非线性机械性能，振动和失效。理解这些反应在大范围的现象时的作用结果并在更加精确的设计多尺度结构的单元时使用这些超材料。
将来用于超轻多孔结构材料的一种平板的晶格结构材料
文章来源: Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli，Christopher M. Spadaccini，“Stiff isotropic lattices beyond the Maxwell criterion” by Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli and Christopher M. Spadaccini, 27 September 2019, Science Advances.:Vol. 5, no. 9, eaaw1937，DOI: 10.1126/sciadv.aaw1937以及MIT，Thomas Tancogne-Dejean et al. 3D Plate-Lattices: An Emerging Class of Low-Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness, Advanced Materials (2018). DOI: 10.1002/adma.201803334
