缅因大学团队开发新方法，精准预测轻质3D打印部件强度

导读：3D打印技术因能够制造外壳结构和最少内部材料组成的高强度、低重量部件，在航空航天、汽车及建筑等行业受到广泛关注。然而，轻量化部件的结构可靠性一直是制约大规模应用的关键因素之一。

△预测轻质3D打印物体强度的新方法

2025年8月3日，南极熊获悉，缅因大学先进结构与复合材料中心（ASCC）的研究团队宣称，正在研究一种提高轻量化3D打印部件可靠性的新方法，以显著提升轻量化3D打印部件的可靠性。

领导这项研究的是研究工程师Philip Bean、机械工程教授Senthil Vel和土木工程教授Roberto Lopez-Anido，为解决这一挑战，开发了一种全新的强度预测方法。该方法能够将先进的计算机建模与螺旋填充3D打印图案的实际物理测试相结合，以评估组件在不同压力条件下的表现。这一创新不仅有助于优化部件结构设计，还能在保障安全的前提下进一步减轻重量、节约材料成本。

△螺旋填充结构分析示例

压力如何影响轻质3D打印部件

研究通过结合先进的计算机建模与实际物理测试，专注于螺旋填充结构——一种常用于3D打印的复杂且重复的内部图案，能够在减轻重量的同时保持结构的强度和稳定性。这种结构因为能够均匀分布应力而备受青睐。

△四点弯曲夹具中的螺旋夹层试样

为了深入理解螺旋填充结构在不同负载条件下的性能，研究团队进行了详尽的计算机模拟，以预测螺旋填充结构机械响应。之后，研究人员制造了实体原型，并进行了实际的压力测试，验证了模拟结果，并进一步揭示了填充结构的结构行为。

研究人员指出：“半经验方程简化了强度预测过程，便于将螺旋填充结构应用于设计决策或优化程序。通过执行压缩和剪切试验，我们验证了有限元分析（FEA）预测的强度与实际制造数据之间的一致性。所提出的分析方法可以轻松地拓展到其它填充类型的类似性能预测中。”

△相关研究已发表在《additive manufacturing》期刊，题目为“研究螺旋填充体的非线性响应以预测有效屈服强度”（传送门）

螺旋填充提高了性能和材料效率

传统的分析方法往往难以准确解释复杂的内部几何形状。然而，这项研究的方法为理解螺旋填充结构如何影响部件的整体强度和性能提供了新的视角。这种更深入的理解赋予了工程师在平衡材料效率与结构完整性时做出更明智设计决策的能力。

△剪切模型结果

研究的首席研究员之一，Bean博士解释说，这项工作提高了工程师设计3D打印部件时的信心和效率。通过精确了解螺旋填充结构的强度，设计师能够在减少材料使用的同时，提升各行各业的性能表现。

此外，该研究预计将为航空航天、汽车以及医疗器械制造等行业带来显著优势，这些领域对高强度和轻质材料的需求尤为迫切。通过增强强度预测的准确性，这项研究有助于优化设计，从而提升性能和材料的使用效率。