尽管违反了规则，但新的3D印刷格子设计是超轻的和超硬的超硬

扫描电子显微镜图像的经典八位型晶格和拓扑优化的，各向同性扁平，具有投影微立体光刻3D印刷技术的等各向同性扁平和准球形八面体晶格。

Lawrence Livermore国家实验室（LLNL）研究人员设计了一种新的3D印刷晶格结构，尽管突破了先前认为需要表现出这样的性质的规则，但是尽管突破了规则来结合轻质和高刚度。其中一个新的结构还在所有方向上显示出完全均匀的响应。

如本文通过科学推进所发布的文件所描述的，由工程师Seth Watts使用的LLNL团队使用拓扑优化软件，瓦特写入由微架桁架组成的两个独特的单位单元格设计，其中一个旨在具有各向同性（相同和全向的）材料特性。然后制造和测试这些新结构，并被发现优于八位字节桁架，是3D印刷晶格结构的标准几何图案。

对于研究人员的惊喜，桁架似乎违反了麦克斯韦标准，是机械设计中使用的结构刚性理论，这些结构刚性在使最有效的承载结构仅通过拉伸而变形。在这样的结构中，刚度线性地线性缩放，密度 - 切割结构的重量成分仅降低了其刚度的一半，而不是较低的效率结构，其刚度将减少四分之三或七分之八。这种线性缩放可以创建超轻，超硬的机械超材料。

“我们发现了两条桁架，当传统智慧时，麦克斯韦尔标准规则 - 不满意，”麦克斯韦尔标准规则 - “共同领先作者瓦特”解释说。“据信，麦克斯韦标准都是必要的，并且足以表明您处于低密度的高刚度。我们表明它不是必要的条件。换句话说，存在具有这种线性缩放属性的较大类的桁架。

“它表明，以前的正统是不是坚定的，”瓦特补充道。“有一个例外，例外实际上可以让你更好的财产。”

通过投影微立体光刻3D印刷方法，其使用突出到光敏聚合物树脂上的光以构建逐层的物体，LLNL团队构造的结构具有重复的八面体和整流的立方（ORC）单元电池设计成更易于更硬比八位字母桁架相同的相同密度，并且具有重复的扁平和准球形八面体（OQSO）单元细胞结构，设计为完全各向同性，因此无论施加载荷，它的机械响应都是均匀的。然后通过实验验证设计。

研究人员表示，由于它们的均匀反应，各向同性晶格可以方便地对已知或甚至未知的负载作用，使工程师能够产生更硬的结构，而不是用其他类型的曲线设计，例如八位字节设计。也是如此超硬但仅在某些方向上。

“各向同性桁架允许您在使用案例方案中忽略负载方向，”Llnl的工程材料和制造中心主任克里斯Spadaccini表示。“例如，您将不再需要担心负载来自的角度。这项工作确实表明，有一种新方法可以让您更好的性能，但尚未探索，因为它违反了传统智慧。“

研究人员表示，该工作还证明，通过使用拓扑优化，工程师可以设计以传统的“设计逐个”方法创建的新结构。

联合主导作者温辰领导了实验和机械测试工作，而Llnl的Postdoc，现在是马萨诸塞州大学机械工程助理教授。陈在不同密度测试样品，看看当以不同角度压缩时会发生什么，以验证它们的各向同性特性。陈说，他对结果感到惊讶，研究改善了更换古典八位口桁架设计的“提高了承诺”。

“它显示您可以使用此计算工具来设计结构以满足您的目标性能 - 这为架构材料开辟了新的设计模式，”陈说。“其次，它提高了架构设计的机械效率。对于您可能有复杂的压力状态的环境，您希望尽可能地将其作为各向同性。这扩大了我们的格子的应用，因为在真实应用中，您通常需要一种可以从多个方向加载的材料。“

这项工作是LLNL持续努力的一部分，用于使用计算方法优化3D印刷部件的设计。在LLNL设计和优化的中心工作的Watts表示，各向同性结构完全通过计算机建模设计。新的设计以及用于开发它们的算法正在纳入Livermore设计优化（LIDO）代码，以使这些进步可用于其他实验室编程区域。例如，研究人员已经使用这种方法来开发用于国家点火设施应用的定制单元电池。

研究人员表示，各向同性桁架可以延伸到3D印刷的金属和陶瓷中，无论何处都有所需要的，诸如3D印刷组织中的生物应用中，可以证明是有用的，如3D打印的组织，其中可调刚度是必不可少的。航空航天领域也要求这些属性。例如，在无人机或战斗机喷气机中，减少结构重量具有增加机动性和减少惯性力的双重益处，从而实现极端性能。

Watts表示，轻量级设计还可以降低生产成本，燃料使用和材料浪费，并且具有一系列其他益处，随着工程师走向更优化的结构。研究人员补充说，最新的论文是LLNL在LLNL设计一个具有专门针对实验室任务的属性的新图书馆的几个并行努力之一。

“我们希望扩展超出直观设计的设计空间，”Spadaccini说。“长期希望是，我们远离摘要在文献中挑选最新的格子设计，并迈向创建和使用我们自己的材料库。我们可以使用这些方法来满足我们的特定需求，因此材料将从结果表现更好。最终，我们希望我们的工程分析师在LLNL使用它，就像它是一个设计工具。“

考虑到线性弹性超出线性弹性的物理，包括传热，非线性力学，振动和故障，继续他们的工作继续努力包括晶格结构的富含晶格结构的特征。在一系列现象中了解他们的响应导致使用这些新的超材料构建的多尺度结构的更准确的设计。

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参考：Wen Chen，Seth Watts，Julie A. Jackson，Diliam L. Smith，Daniel A. Tortorelli和Christopher M. Spadaccini，2019年9月27日，科学推进。
10.1126 / sciadv.aaw1937.

该工作由实验室指导的研发（LDRD）计划资助，通过设计和优化和工程材料和制造中心中心。

共同作者包括Llnl工程师朱莉杰克逊，将史密斯和设计和优化总监Dan Tortorelli中心。