3D打印蜂窝材料失效行为的多尺度实验和预测

以往的3D打印蜂窝或晶格研究多与金属相关，但高性能聚合物蜂窝结构同样具有广阔的应用空间。将3D打印技术的优点与高性能聚合物材料相结合，可制造具有增强结构或多功能特性的产品。特别是在航空航天、生物医学、汽车、海洋和国防等领域，人们对这些蜂窝材料的兴趣日益浓厚，它们在抗冲击能量吸收器或防撞结构等应用中具有潜在的优势。

在抗冲击应用中，3D打印的蜂窝材料性能在很大程度上依赖于基材的机械和热特性。因此，高性能聚合物，尤其是聚醚酰亚胺 (PEI)正受到越来越多的关注，这种聚合物通常使用熔融沉积技术 (FFF) 技术3D打印。但打印过程通常存在偶然性甚至系统性的误差，从而导致打印结构中出现材料缺陷，进而对蜂窝结构的性能无法准确预测。

3D打印技术参考注意到，来自格拉斯哥大学的研究团队，新发布了一项关于3D 打印材料在应变下失效变形机制的新分析。通过引入“增强因子”，可帮助准确预测含有制造缺陷的晶格性能，设计人员因此可使用这些计算来创建更好的结构。

研究人员设计了四种不同类型的晶格，涉及三种不同的相对密度和壁厚，并使用FFF技术3D打印PEI实现。对这些结构进行了一系列压力测试，反复弯曲、拉伸和压缩，直到断裂。测试后，使用微型CT扫描和热分析对材料进行分析。

具有六边形（左上）、I 形（右上）、凹入式（左下）和 S 形（右下）的晶格结构设计

实现发现，相对密度较低的晶格结构（空隙多），显而易见的容易弯曲和折叠。但随着相对密度的增加，压缩响应在变形和损伤机制上发生了转变。低相对密度的结构在单元壁内表现出均匀的变形，而高相对密度的晶格结构则在打印细丝的各个焊道相接处出现损伤。这意味着材料并没有像研究团队预期的那样，通过提升单元的壁厚来吸收更多能量。换句话说，尽管相对密度较高，但这些晶格在能量吸收性能上的提升并不显著。

图中显示了包括失效模式在内的各个阶段的特征工程应力-应变响应和变形图：U（未变形）、A（初始崩塌）、B（致密化开始）和 C（致密化）

压缩测试前后晶格结构的µCT图像

从计算机扫描结果分析，相对密度为20%的蜂窝结构，单元壁位置未发现层间或焊道之间的微孔或缺陷；此时，单元壁厚为0.8mm，每条焊道的高度为0.4mm，这意味着单元壁包含两层。研究者认为，这一特点保障了结构完整性。相比之下，相对密度为40%的蜂窝结构，在层间发现孔隙存在；在压缩测试期间，层间界面失效导致层间脱粘，机械性能出现不可预见的变化主要与孔隙率有关。

仿真显示了包括失效模式在内的各个阶段的特征工程应力-应变响应和变形图：U（未变形）、A（ε = 10%）、B（ε = 20%）和 C（ε = 30%）

之后，他们利用测试数据开发材料的计算机模型，引入了界面之间的内聚相互作用因子，强调了层间损伤的有害作用，增强了预测的准确性；预测模型的最后，还引入了单元壁厚和层厚度的比值关系，发现保持单元厚度与层厚度比接近 2对于实现最佳机械性能、避免层间损坏和确保高质量的FFF打印结构至关重要。