人體骨骼或將解密如何延長3D打印輕質結構疲勞壽命

魔猴君  行業資訊   1807天前

泡沫、點陣這樣的微結構材料通過幾何形狀獲得了卓越的機械性能，它們具有高剛度和強度，同時又保持極輕的性能。但是如果將具有這類結構的零件應用在耐用設備上，仍需在循環載荷下延長其使用壽命。

根據魔猴網的市場觀察，來自普渡大學等科研機構的研究團隊受到天然松質骨骼微觀結構的啟發，找到了延長這類結構疲勞壽命卻極少增加重量的方法。研究團隊分析了人類骨骼中水平支撐結構如何“抵抗”磨損的原理，并將這一原理轉化為設計3D打印輕量化結構的方法。這類3D打印輕量化結構在應用于建筑物、飛機或其他領域時將具有足夠的壽命。

研究論文Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life發表在《美國國家科學院院刊》中。

模仿人體骨小梁結構的3D打印聚合物模型。來源：普渡大學

水平支撐影響疲勞壽命

人體骨骼通過小梁的海綿狀結構獲得耐用性，這種海綿狀結構是由相互連接的垂直柱狀支撐和水平桿狀支撐作為柱和梁組成的網絡。小梁越密集骨骼在日常活動中就越有彈性，但是疾病和年齡會影響這種密度。

人類股骨的圖像顯示出相互連接的白線，這些線構成了小梁結構。

來源：普渡大學

研究團隊指出，當人們衰老時他們的骨骼中首先失去的是水平支撐，這一狀況將增加骨骼在多個循環載荷作用下斷裂的可能性。研究團隊發現，垂直的柱狀支撐結構與骨骼的剛度、強度相關，而水平的支撐結構與骨骼疲勞壽命有關。

研究團隊進行了機械分析模擬，以確定水平支撐結構在人體骨骼中的作用是否比以前認為的要大。然后，他們設計了具有與骨小梁相似的3D打印聚合物。

與骨小梁具有相同數量水平、垂直支撐桿的3D打印模型。

來源：普渡大學

研究團隊在循環載荷下對骨骼的微觀結構進行仿真時，能夠看到應變會集中在這些水平支桿上，并且通過增加這些水平支桿的厚度，能夠減輕一些觀察到的應變，當向3D打印的聚合物施加載荷時，水平支撐桿越厚，聚合物承受載荷的時間就越長。

研究論文中指出，研究團隊通過3D打印的微結構模型發現，水平支撐結構的單元厚度的小幅增加可以使疲勞壽命增加10到100倍，遠遠超過了相關密度變化的預期。根據普渡大學的報道，研究團隊將水平支撐結構的厚度增加約30％時，人造材料的使用壽命可能會延長100倍。

由于增厚水平支撐結構不會顯著增加3D打印聚合物的重量，因此研究人員認為，這種設計方式對于創建更具彈性和更長疲勞壽命的輕量化材料具有意義。