宾夕法尼亚大学通过引入无序设计提升3D打印部件强度韧性2.6倍

2025年3月8日，南极熊获悉，宾夕法尼亚大学工程学院的研究人员通过在3D打印机械超材料中引入受控无序几何设计，可以显著提升材料的抗裂性能。

△三种具有不同无序程度的代表性设计。中间的设计平衡了有序性和无序性，以实现3D打印部件最大的韧性

机械超材料采用3D打印和激光切割等数字制造技术生产，具有强度和刚度增强等独特性能。然而，它们的易碎性一直是一大限制。研究人员发现，通过调整内部几何形状而不是材料本身，韧性可以提高2.6倍。

△相关研究已发表在美国国家科学院院刊Nexus上，题目为“无序增强了二维机械超材料的断裂韧性”（传送门）

大自然常常利用结构无序性来提升材料的耐久性，例如在骨头、珍珠层（即贝壳内壁的彩虹层）以及贻贝足丝中都能找到这种策略。受这些生物材料的启发，宾夕法尼亚大学的研究人员对3D打印机械超材料中的无序结构进行了深入测试。他们从标准的三角形晶格结构出发，通过系统地调整三角形节点的交点位置，探索了不同程度的无序性对材料性能的影响。

△宾夕法尼亚大学工程学院教授Fulco（右）和Turner（左）展示了他们如何利用光来评估机械应力对超材料的影响

无序几何设计提高3D打印部件强度

论文的主要作者Sage Fulco解释道：“表现最好的样品，裂缝最难扩展，并不是由规则的重复图案组成。这种设计方法模仿了骨头和珍珠母等天然材料，它们利用微观不规则性来实现更高的弹性。

研究团队使用激光切割的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 样品测试了他们的概念，并进行了数千次计算模拟。他们的研究结果表明，虽然无序结构的强度略有降低（≤25%），但它们保持了与传统有序晶格相似的刚度水平，同时显著提高了抗裂性。

研究人员利用光弹性成像观察到，无序晶格中的裂纹会蔓延到更广泛的区域，而不是沿着有序结构中常见的直线路径。这种分布式损伤模式有助于解释不规则设计的增强韧性。

△与结构更严谨的设计（顶部）相比，无序性更强的设计（底部）更不容易破裂，红点的分散性就是明证

与传统的增韧方法相比，这种新方法具有实用优势，因为它仅依赖于几何修改，而不是材料添加或特殊涂层。宾夕法尼亚大学工程学院教授Kevin Turner表示，虽然无序系统带来了更复杂的设计挑战，但它们可以使用3D打印和激光切割等现有的制造方法来实现。

宾夕法尼亚大学工程学院的最新研究为机械超材料在诸如航空航天等对韧性要求极高的行业中的广泛应用奠定了基础。通过借鉴天然材料的原理，工程师们现在能够设计出既强韧又具有弹性的结构。研究人员期望他们的发现能够激发材料科学领域对无序模式的进一步探索，从而为现实世界应用带来更强大、更具适应性的材料。

总的来说，这一发现为3D打印材料的耐用性提升开辟了新的道路，尤其重要的是，这一进步是在不改变材料基本成分的前提下实现的。