南航顾冬冬教授团队利用激光粉末床熔融（LPBF）制备出仿生夹层结构

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在航空航天、海洋和汽车等领域，金属夹层结构因高刚度重量比等优势应用广泛，然传统内芯拓扑结构难以同时实现优异机械性能与多功能性。南京航空航天大学顾冬冬教授团队受马尾草茎部横截面多孔且具连接肋的结构启发，利用激光粉末床融合（LPBF）技术制备出系列仿生夹层结构。通过实验与有限元模拟结合，探究该结构的成形性、力学性能、变形行为及热传导性能。结果表明，此结构表面光滑无裂纹，特定内径结构综合性能佳，为兼具承载与隔热功能的工程结构件应用提供理论依据。相关工作以《Compression and Thermal Conduction Performance of Bioinspired Sandwich Structures Fabricated by Laser Powder Bed Fusion》为题发表在《Additive Manufacturing Frontiers》上，南京航空航天大学顾冬冬教授和林开杰副教授为通讯作者。

研究内容
通过观察四种马尾草茎部横截面的微孔和连接肋结构，受其径向梯度分布的维管束启发，设计出系列仿生夹层结构。结构参数包括长度、宽度、高度、内外管壁厚、内管直径等。结果表明，所设计的结构模仿了马尾草的中空蜂窝状特征，为后续制备提供了模型。

图1. 仿生夹层结构的设计。

利用扫描电子显微镜（SEM）观察不同内管直径的结构表面。结果显示，结构侧面光滑无裂纹，但内管壁有粘结粉末，尤其内管直径大的结构更为明显，这是因加工时粉末粘结导致表面粗糙度增加。

  图2. LPBF加工的仿生夹层结构及相应表面形貌。

通过MTS测试机进行压缩试验，测量压缩力-位移曲线、极限强度、比强度、能量吸收等。结果表明，添加内管可提高性能，其中内径1.9mm的结构比强度达64.2MPa/(g/cm³)，比能量吸收3.3J/g，综合性能最优。  

图3. 四种仿生夹层结构的压缩性能。

通过实验记录不同位移下的变形情况。结果显示，各结构在压缩时均出现45°剪切带，内径1.9mm的结构断裂位移更大，承载能力更持久，而内径2.4mm的结构断裂位移减小。

图4. 压缩过程中各结构的变形快照。

利用ANSYS LS-DYNA模拟变形和应力分布，并与实验对比。结果表明，模拟与实验一致，添加内管和 joint ribs 使应力分布更均匀，内径1.9mm的结构应力分布最均匀。

图5. 四种仿生夹层结构的有限元分析结果与压缩实验。  

通过ANSYS Workbench模拟温度分布，提取不同位置温度数据计算热导率。结果显示，内径1.4mm的结构热导率最高（2.786W/(m·K)），无内管结构热绝缘性最好，内管增加传导路径使热导率提高。

图6. 各结构的热传导性能。

通过绘制热传导路径分析传热机制。结果表明，无内管结构仅通过外管壁传导，热导率低；有内管结构增加内部传导路径，随内管直径增大，传导路径变长，热导率依次降低。

图7. 四种仿生夹层结构的热传导模式示意图。

研究结论
本研究采用激光粉末床融合技术，以Ti6Al4V粉末为原料，设计并制备了四种基于马尾草茎部横截面微观结构的仿生夹层结构。通过扫描电镜分析其成形性，评估了压缩极限强度、比强度、能量吸收等力学性能，还研究了压缩变形行为及热传导性能与模式。结果显示，激光粉末床融合加工的仿生夹层结构表面光滑无裂纹，但管壁存在粘结粉末影响尺寸精度；添加内管可提升压缩极限强度和比强度，其中D1.9结构综合力学性能最优；内管增加内部传导路径，使D1.4、D1.9和D2.4结构热导率高于D0结构。该研究为兼具承载和隔热功能的结构件工程应用提供了理论依据。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200192。