3D打印扭曲晶格超材料，或为汽车防撞安全添新径
想象一下：同一根汽车保险杠，在低速剐蹭时变得“温柔”，维修费大减；若不幸遭遇高速碰撞，又能瞬间“绷紧”，最大限度守住座舱不被侵入。传统汽车安全件只能给出一条固定的“力-位移曲线”，工程师不得不做出妥协。3D打印技术参考注意到，近日一篇刊载在《Advanced Materials》的研究给出了新选项——一种3D打印的扭曲超材料，可让材料自己“临场应变”。
其核心是一个螺旋状的低合金淬硬钢晶格，在轴向压缩作用下，以可控的方式转变为扭转。目标是实现一种无需执行器、传感器或流体系统即可在硬支撑和软阻尼之间切换的组件。
3D打印的扭曲晶格结构
从技术角度来看，该结构是基于LPBF金属3D打印而成的高度多孔螺旋拓扑结构。这种周期性结构将平移和旋转结合在一起：当组件受到压缩时，它会形成螺旋状的扭曲，从而分散冲击能量。在旋转受阻的情况下，晶格表现出最高的刚度和最大的比能吸收率，测得每克材料15.36焦耳。当旋转停止时，刚度和能量吸收率下降约10%。如果过度旋转，能量吸收率会下降约33%。这使得碰撞响应能够根据负载情况、安装空间和回弹行为进行定制。
陀螺结构的准静态和动态压缩行为= 10%
该研究由来自英国格拉斯哥大学， 意大利马尔凯理工大学、拉奎拉大学，以及意大利国家核物理研究所的研究人员共同完成。他们对材料的结构进行了精细控制。研究人员表示，这种材料可以编织出复杂且高度多孔的螺旋晶格，他们相信这种材料可以提高车辆的防撞保护能力。
与提供预定抗冲击力的传统泡沫或溃缩区不同，该材料对冲击的响应可以通过机械控制，从而改变其能量吸收。因此，可以对冲击响应进行微调，以在重度碰撞时提供更强的抗冲击力，或在轻度碰撞时提供更柔软的缓冲。
形状变化对扭曲陀螺结构的影响
结果表明，该材料具有提供多种防护性能的潜力，从刚性屏蔽到更柔和的能量吸收。该研究结果得到了一个综合的理论和计算模型的支持，该模型能够准确预测扭转螺旋晶格在不同应变率下的复杂行为。为了实现精确的数值-实验校准，通过整合打印晶格的微CT重建数据，量化了增材制造过程中引入的几何缺陷。
相对密度陀螺仪结构的实验与有限元预测的准静态压缩行为= 10%
格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的尚穆甘·库马尔教授领导了这项研究。他表示：“目前大多数车辆使用的防护材料都是静态的，专为特定的撞击场景而设计，无法适应不断变化的环境。这项研究引入了自适应扭转超材料，这是一种新型超材料，无需任何复杂的电子或液压系统即可实现自适应。相反，它们只需通过机械旋转控制即可实现自适应。当我们施加压缩力时，螺旋晶格会将其转化为扭转力，通过改变边界条件，我们可以调整能量吸收特性。这些材料可以根据撞击类型和严重程度进行调整和改变自身特性，以减轻撞击的影响。”
“我们相信，这种材料未来可以在汽车和航空航天安全领域得到应用，提供一种能够根据需要适应不同需求的新型材料。它还可以通过将冲击能转化为旋转动能，支持新型能量收集方式的开发。”#增材制造 #3D打印
研究论文：Adaptive Twisting Metamaterials
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