3D打印的冲浪板：6种不同的仿生结构，蜂窝结构最强

如今，3D打印技术在运动器材制造方面的应用案例越来越多，比如南极熊之前报道过的3D打印头盔、自行车鞍座等等。

2020年3月16日，南极熊从外媒获悉，国外的研究人员开始利用3D打印技术制造特殊性能的水上运动板。他们的研究最近发表在论文“具有生物启发性核心设计的3D打印水上运动板”中，通过使用3D打印和不同的生物启发性结构（例如蜂窝）来推进水上运动板的设计。

△（a）天然蜂窝结构； （b）受自然启发而设计的水上运动板的蜂窝芯。

在之前有关3D打印水上运动板的研究中，研究人员主要关注其几何外形，仅对外形进行了少量修改。而本文我们要介绍的这个研究小组实际上更关注内部结构的设计。

他们使用FDM 3D打印机和PLA材料来制作第一个样品，通过CATIA V5软件来设计均匀的蜂窝结构。

大多数的水上运动板采用三明治结构，其中薄的外壳覆盖着泡沫制成的内芯，从而提高了浮力和稳定性，减轻了重量，并提高了抗弯曲性。这些结构通常具有顶部外壳，轻质内核和底部外壳，但是此板将底部外壳与内核合并在一起。

研究人员在文中写道：“他们已经设计了水上运动板的较小尺寸版本，宽度为48 mm，长度为144 mm，两侧的曲率半径为357 mm。 考虑了600 mm的底部曲率，从而使模型更接近真实模型。 六边形蜂窝结构形成了木板的核心。

蜂窝为3毫米宽，并形成1毫米厚的壁，而底壳和顶壳的厚度分别为5毫米和1.5毫米。 该团队使用XYZprinting da Vinci 1.0 Pro 3D打印机制作具有均匀蜂窝结构的样品板。

（a）木板的两个单独的3D打印部分； （b）用强力粘合剂将两部分粘合在一起。

冲浪板的断裂经常发生在冲浪板的中间部位，即冲浪者的双脚之间。 通常，发生这种情况的原因是，冲浪者掉入水中后，波浪撞击到中间并将其撕成两部分，或者冲浪者的脚太靠近并把身体的压力集中在中间。

研究人员解释说：“在这两种情况下，巨大的力作用在板的中部，导致很大的弯曲应力，可能导致断裂。”“由于这两种断裂都是由弯曲应力引起的，因此可以采用机械三点弯曲测试来确定这种载荷下板的强度。”

△经过三点弯曲试验的蜂窝结构均匀的木板

该小组在三点载荷下测试了蜂窝板，应变速率为0.001 s-1的测试是在室温下，两个支架之间相距80毫米的情况下进行的。 进行了位移控制测试，以使弹性范围内的最大挠度达到4 mm。

△I形梁和等效截面的木板用橙色线表示

为了验证这些结果，并在测试下对结构的变形进行建模，研究人员开发了一种“几何线性分析方法”，使用等效X形截面，其X轴的几何刚度发生变化，以模拟蜂窝结构。 然后，基于ABAQUS软件的几何非线性有限元方法在三点弯曲试验下模拟了具有各种不同芯结构的板。

△有限元方法模型的边界条件

模拟了弯曲测试以验证FEM模型，并且团队进行了网格敏感性分析以确保数值结果准确。 然后，他们对蜂窝芯的样品板进行了相同的测试，最大挠度为4 mm。 在板的中间发现的最大应力约为40 MPa，该应力足够低，可以将板“保持在所需的弹性区域”。

△冯·米塞斯（Von Mises）用均匀的蜂窝状芯板

研究人员解释说：“PLA板在高达300 N的力下显示出线性弹性变形，超过此力，材料会屈服，然后在500 N之后表现出平稳的塑性变形。”

△蜂窝板和完全填充板的三点弯曲试验的实验，数值和分析载荷-挠度曲线的比较

一旦团队验证了蜂窝状核心结构板的几何非线性FEM模型，他们就会模拟底壳核心的其他图案。使用几何非线性FEM软件包ABAQUS进行三点弯曲测试，同时使板的总体积保持恒定，这有助于他们找到具有最大抗弯曲性的结构。

他们测试的不同结构包括：

●六边形（HR）结构
●三角蜂窝结构
●六角碳晶格
●松果和向日葵启发的样式
●蜘蛛网启发的图案
●功能分级（FG）蜂窝结构

研究人员写道：“对于所有结构，都进行了网格收敛研究，并为FEM模型选择了适当数量的元素。此外，所有具有不同核心结构的电路板的最大应力都显示出最大应力低于PLA材料的屈服应力。”

（a）具有两个8号和13号相反方向的螺旋形的松果体； （b）斐波那契螺旋形向日葵； （c）采用斐波那契螺旋设计的松果形结构。

他们发现，具有FG蜂窝结构的板在500 N力下的弯曲性能最佳，实际上比具有均匀蜂窝结构的板好31％。 这意味着它可以承受最大的力，而不是像其余结构一样承受中间力。

研究人员总结说：“由于文献中缺乏相似的设计和结果，因此，本文有望推动水上运动板的发展，并为设计人员提供可以增强运动设备性能的结构。”


编译自：3dprint