任何事物都有它的兩面性都有優(yōu)缺點(diǎn)，3D打印也不例外。而3D打印中一個(gè)十分常見的缺點(diǎn)就是用它生產(chǎn)出來(lái)的部件其強(qiáng)度比不上傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的部件強(qiáng)。不過伴隨著3D打印材料和技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印的零部件也展現(xiàn)出來(lái)獨(dú)有的強(qiáng)度、耐用性已經(jīng)和傳統(tǒng)技術(shù)制造出來(lái)的部件旗鼓相當(dāng)，甚至還超越了傳統(tǒng)制造。現(xiàn)在位于來(lái)自美國(guó)威斯康星州的首府麥迪遜的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究員已經(jīng)開發(fā)出了必其他用在建筑上的材料強(qiáng)很多的3D打印材料。

工程物理學(xué)教授Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger 3D打印了一種材料，其行為與Cosserat彈性理論一致，也被稱為微極彈性。在高壓力環(huán)境下分析其物理性能時(shí)，物質(zhì)底層結(jié)構(gòu)中的理論因素。Lakes和Rueger使用該理論設(shè)計(jì)了一種聚合物晶格，其彎曲剛度比經(jīng)典彈性理論預(yù)測(cè)的高30倍。晶格由排列成重復(fù)十字交叉設(shè)計(jì)的聚合物帶組成，可以增加強(qiáng)度和耐用性。

“如果你的材料中有底層結(jié)構(gòu)，比如一些泡沫、格子和纖維增強(qiáng)材料，那么它比經(jīng)典彈性理論能夠處理的自由度更大，”Lakes說(shuō)。“所以我們正在研究材料的自由行為，而不是標(biāo)準(zhǔn)理論所預(yù)期的方式。”

材料自由打開了創(chuàng)造不受壓力集中影響的新材料的“大門”，即比任何其他材料都更加堅(jiān)韌。實(shí)際應(yīng)用可能包括使飛機(jī)機(jī)翼更加抗裂。如果飛機(jī)機(jī)翼出現(xiàn)裂縫，應(yīng)力集中在裂縫周圍，使機(jī)翼更弱。

“你需要一定的壓力來(lái)打破某些東西，但如果它有裂縫，你可以用較小的壓力來(lái)打破它，”Lakes說(shuō)。

然而，Cosserat理論產(chǎn)生了壓力分布不同的材料，使其變得更加困難。這種行為可以在骨頭以及某些類型的泡沫中看到。但是，當(dāng)制作泡沫座墊時(shí)，工程師對(duì)泡沫的底層結(jié)構(gòu)沒有太多的控制，因此他們對(duì)調(diào)整Cosserat效果的能力有限。

然而，Lakes和Rueger可以在其3D打印材料中調(diào)整Cosserat效果，使其非常強(qiáng)大。

“我們開發(fā)了一種材料，我們對(duì)晶格的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非常詳細(xì)的控制，這使我們能夠在彎曲和扭轉(zhuǎn)材料時(shí)獲得非常強(qiáng)大的效果，”Lakes說(shuō)。

大多數(shù)建筑物都是根據(jù)經(jīng)典彈性理論設(shè)計(jì)的，如建筑物、飛機(jī)、橋梁和電子設(shè)備-但這種基于Cosserat理論的新型設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生出眾的材料。通過3D打印材料，工程師可以更好地控制其性能和結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)導(dǎo)致一種新的建筑方式，或者至少可以設(shè)計(jì)某些部件，比方說(shuō)前述的飛機(jī)機(jī)翼。

Rueger和Lakes發(fā)表了題為“橫向各向同性聚合物晶格中的強(qiáng)Cosserat彈性”的論文。