旨在实现更轻、更安全的汽车设计等的新型 3D 打印材料

由格拉斯哥大学工程师领导的研究小组开发了一种新形式的 3D 打印复合材料，该材料将聚烯烃树脂与多壁碳纳米管相结合，比类似形式的铝更坚固、更轻。该团队预计，这可能会导致开发出更安全、更轻、更耐用的结构，用于汽车、航空航天、可再生能源和海洋工业。在一篇新论文中，纳米工程 3D 打印板格的影响行为 发表在材料与设计杂志上 ，该团队描述了他们如何开发出一种新的板状晶格细胞“超材料”，该材料具有令人印象深刻的抗冲击能力。

超材料是一类人工制造的细胞固体，其设计和工程旨在展现自然界中不存在的特性。一种形式的超材料，称为板格，是由相交的板层制成的立方结构，尽管板之间有大量空间，但仍表现出异常高的刚度和强度。这些空间，被属性工程师称为孔隙度，也使板格变得异常轻巧。

研究人员着手研究由他们开发的塑料纳米管复合材料制成的新形式的板晶格设计，是否可以制造出具有更先进的刚度、强度和韧性特性的超材料。他们使用纳米工程长丝复合材料作为 3D 打印机的原料，将长丝融合在一起以构建一系列板格设计。然后，这些设计通过从不同高度落下 16.7 公斤重物进行一系列冲击测试，以确定它们承受物理冲击的能力。

首先，该团队测试了他们设计和建造的三种典型板格：由三个板相交形成的简单立方体；具有额外交叉板的更复杂的立方体；并且，更多元化的设计。那些典型的板格分两批制成——一批由聚丙烯制成，另一批由聚乙烯制成。

然后，他们测试了另外三个“混合”板格，它们结合了第一次实验中较简单设计的特征：简单立方体/复杂立方体混合体；一个简单的立方体/多面混合体；并且，将所有三者合并的一个。再次，由 PP 和 PE 制成的批次。

混合所有三种典型板格设计元素的混合设计被证明是mos t 有效吸收冲击，PP 版本表现出最大的抗冲击性。使用一种称为特定能量吸收的方法，科学家们用它来确定材料相对于其质量吸收能量的能力，该团队发现 PP 混合板格可以承受每克 19.9 焦耳的能量——据报道，性能优于类似的——设计了基于铝的微结构超材料。

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院复合材料和增材制造负责人 Shanmugam Kumar 博士领导了该研究项目。研究团队还包括来自阿布扎比哈利法大学和美国大学城德克萨斯农工大学的机械和化学工程师。

Kumar 说：“这项工作正好处于力学和材料的交叉点。我们开发的碳纳米结构工程细丝作为 3D 打印的原料，与我们创造的混合复合板晶格设计之间的平衡产生了非常令人兴奋的结果。在追求轻量化工程的过程中，一直在寻找具有高性能的超轻量材料。我们的纳米工程混合板晶格具有非凡的刚度和强度特性，并且比用铝制成的类似晶格表现出卓越的能量吸收特性。 3D 打印的进步使得制造具有定制孔隙率的复杂几何形状比以往任何时候都更容易、更便宜，这些几何形状支撑着我们的板格设计。以工业规模制造这种设计正在成为现实。”

根据 Kumar 和团队的说法，这种新型板格的一个关键应用很可能是在汽车制造中，在那里，人们一直在努力制造更轻的车身，同时又不牺牲碰撞时的安全性。 “铝用于许多现代汽车设计，但我们的板格具有更高的抗冲击性，这可能使其在未来的此类应用中有用……我们在这些板格中使用的塑料的可回收性也使得随着我们迈向净零世界，循环经济模型将成为使地球更具可持续性的核心，它们具有吸引力，”库马尔指出。