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  • 阿联酋科学家利用3D打印技术制作首个受大自然启发的复合陀螺仪

  • 作者: 奇葩一个木林森 责任编辑:kasa11 来源: 科技狗 2017-12-14 18:02:12
  •   来自阿联酋的科学家们发表了一篇论文,详细介绍了用两种不同材料合成的一种三维轻质细胞的螺旋状壳核结构的三维打印过程。

      在论文中,科学家们指出,这些结构产生的结构比单一材料所构成的结构要坚固。

      他们还展示了细胞复合陀螺仪结构的结构组成及其力学性能之间的关系,并表明结构的空间结构可以被控制和变化,以产生一系列适合于不同工程应用的物理性质。

      螺旋结构的意义

      陀螺仪是“三层周期性最小表面”(TPMS),它是非自交、无限连通、不包含直线,在其表面的每一点上都有一个平均曲率为零。它们的灵感来自于蝴蝶翅膀和脂类的自然结构。

      因为他们的极小曲面的品质,因为他们可以用一个简短的近似数学方程(罪xcos y +罪公司yco z +罪zcos = c,x,y,z坐标和c代表固体的体积比孔隙的体积),gyroids一直是一个流行的3 d打印配置测试样品的石墨烯和陶瓷科学调查。

      重量轻的复合陀螺仪结构,具有坚硬的外壳和柔软的内芯,如骨骼或木材,适合于本研究,因为两种材料都是连续且相互连接的增强强度、机械和电气性能。移除一种材料仍然会留下一个自我支持的结构。

      在本研究中,论文的作者声称,结构的受控变化和结构的组成材料可以控制结构的物理性能。通过改变近似方程中的常数c,改变各组成材料的体积分数(VF),并有效地改变整个复合结构的相对密度(RD),可以实现这样的变化。

      此外,他们声称对这些复合螺旋结构的结构的完全控制意味着增加了工程材料的可能性,以满足特定的最终用途,如夹心板、机械能吸收器、催化剂和体植入物。

      3D打印的陀螺仪和测试的韧性

      采用CAD软件设计了陀螺复合结构,并将其作为STL文件导出到Stratasys公司的Connex3 Objet 260多材料3D打印机中。坚硬的外壳是3D打印的Stratasys VeroWhite,软的内核是同时使用Stratasys TangoGray制造的。样品体积为90mm³。

      为了验证三维打印的螺旋状复合结构比单独的材料更强的假设,100%的Veroclear和100% TangoGray的样品分别用一种提高温度的压缩机器进行测试。

      在10%的压力下,100%的VeroClear“灾难性地失败”在20%和40%的压力下,在大约1.5和7.5 MPa的压力下。100%的TangoGray非常弱,甚至不能吸收Veroclear的一半能量。

      然而,在相同的实验条件下,在达到最大强度之前,陀螺仪的复合结构表现出线性弹性行为。在此之后,Veroclear开始开裂,TangoGray内核吸收释放的能量,而致密化(挤压)只开始于60%的压力。

      此外,经过测试的样本,35%的RD,30%的VeroClear和70%的TangoGray在完全破坏前达到70%的压力。根据扫描电子显微镜的检查,它保持了90%以上的初始形状配置。

      测试不同的微观结构配置

      为了检验细胞复合材料的空间组成(特别是RD)对结构物理性能的影响,对25个不同RD和外壳的测试用例的内部核心值进行了应变测试,并记录了结果。

      通过改变近似方程中常数c的值,可以实现不同RD值的制造样本。这增加或减少了一个结构的空间量,并支持为不同的最终用途而优化的材料的功能分级。

      通过试验,研究表明,逐渐增加的人工耳蜗材料的数量增加了样品的整体力学性能,包括杨氏模量、屈服强度、最大强度、高原强度和韧性。

      在复合材料的基础上记录了100%纯白色和100%棕灰色的韧性值。人们注意到,共连续的细胞复合结构达到了韧性的值,而韧性的值不是由任何组成材料所实现的,也不是由天然材料实现的。

      随着他们的假设经过检验和证明,作者现在建议在应用于专家的最终用途之前,对复合的螺旋状结构的更广泛的组合和材料进行更多的研究。

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      这篇论文的作者是奥莱布·阿克坦(Oraib al - ketan)、艾哈迈德·索利曼(Ahmad Soliman)和艾萨·m·阿尔库贝西(Ayesha m . AlQubaisi),来自马斯达尔科学技术学院(Masdar Institute of Science and Technology),以及哈利法大学(Khalifa University of Science and Technology)的拉希德·k·阿布·勒摩(Rashid k . Abu al - rub)。可以在这里阅读先进的工程材料杂志。

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