美国西北大学多材料3D打印仿生螺旋结构

作者： 侯章浩，田小永
来源：机械制造系统工程国家重点实验室

螺旋结构普遍存在于动植物结构中，而这些生物结构往往具有较高的损伤抗性，具有优异的抗断裂性能。然而传统工艺难以制造出复杂的仿生结构，许多优异的生物结构高性能机理无法进一步研究。美国西北大学的Zaheri等利用Stratasys开发的多材料3D打印机Connex350对螺旋结构进行了仿生打印，借此研究螺旋结构对结构损伤容限性能。

Zaheri等将研究成果发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上，在文中系统分析了甲虫在不同生命阶段的鞘翅中纤维的排布特点，发现甲虫根据根据不同生命阶段的生物需求，鞘翅中纤维的排布是不同的，如图1所示，在幼虫阶段，纤维是完全螺旋排布；而在成熟阶段，纤维呈现不完全的螺旋排布。这是因为在幼虫阶段，甲虫最大的需求是保护自身安全，因此通过纤维完全排布达到高刚度的生物目的；而在甲虫成熟阶段，甲虫需要哺食猎物，因此鞘翅要平衡飞行性能，所以采用不完全的螺旋排布设计。

图1 甲虫在不同生长阶段的结构形态：幼虫（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）

论文中对不同螺旋角度对结构综合性能的影响进行了系统分析，实验及分析表明较低的单层螺旋角可产生改善的各向同性和增强的韧性，螺旋结构具有较高的灵活性。

生物中有很多优异的结构可以为人类提供崭新的思路，为工程中的问题提供解决方案，为新材料和新结构的设计提供崭新的设计思路。类似螺旋结构，3D打印为其研究提供了有效技术支撑，为仿生材料的应用提供了实现途径，未来，随着3D打印的发展仿生研究将进入全新的领域。

作者： 侯章浩，田小永
来源：机械制造系统工程国家重点实验室