3D打印的沖浪板：6種不同的仿生結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)最強(qiáng)

如今，3D打印技術(shù)在運(yùn)動(dòng)器材制造方面的應(yīng)用案例越來(lái)越多，比如南極熊之前報(bào)道過(guò)的3D打印頭盔、自行車鞍座等等。

2020年3月16日，南極熊從外媒獲悉，國(guó)外的研究人員開始利用3D打印技術(shù)制造特殊性能的水上運(yùn)動(dòng)板。他們的研究最近發(fā)表在論文“具有生物啟發(fā)性核心設(shè)計(jì)的3D打印水上運(yùn)動(dòng)板”中，通過(guò)使用3D打印和不同的生物啟發(fā)性結(jié)構(gòu)（例如蜂窩）來(lái)推進(jìn)水上運(yùn)動(dòng)板的設(shè)計(jì)。

△（a）天然蜂窩結(jié)構(gòu)； （b）受自然啟發(fā)而設(shè)計(jì)的水上運(yùn)動(dòng)板的蜂窩芯。

在之前有關(guān)3D打印水上運(yùn)動(dòng)板的研究中，研究人員主要關(guān)注其幾何外形，僅對(duì)外形進(jìn)行了少量修改。而本文我們要介紹的這個(gè)研究小組實(shí)際上更關(guān)注內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

他們使用FDM 3D打印機(jī)和PLA材料來(lái)制作第一個(gè)樣品，通過(guò)CATIA V5軟件來(lái)設(shè)計(jì)均勻的蜂窩結(jié)構(gòu)。

大多數(shù)的水上運(yùn)動(dòng)板采用三明治結(jié)構(gòu)，其中薄的外殼覆蓋著泡沫制成的內(nèi)芯，從而提高了浮力和穩(wěn)定性，減輕了重量，并提高了抗彎曲性。這些結(jié)構(gòu)通常具有頂部外殼，輕質(zhì)內(nèi)核和底部外殼，但是此板將底部外殼與內(nèi)核合并在一起。

研究人員在文中寫道：“他們已經(jīng)設(shè)計(jì)了水上運(yùn)動(dòng)板的較小尺寸版本，寬度為48 mm，長(zhǎng)度為144 mm，兩側(cè)的曲率半徑為357 mm。 考慮了600 mm的底部曲率，從而使模型更接近真實(shí)模型。 六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)形成了木板的核心。

蜂窩為3毫米寬，并形成1毫米厚的壁，而底殼和頂殼的厚度分別為5毫米和1.5毫米。 該團(tuán)隊(duì)使用XYZprinting da Vinci 1.0 Pro 3D打印機(jī)制作具有均勻蜂窩結(jié)構(gòu)的樣品板。

（a）木板的兩個(gè)單獨(dú)的3D打印部分； （b）用強(qiáng)力粘合劑將兩部分粘合在一起。

沖浪板的斷裂經(jīng)常發(fā)生在沖浪板的中間部位，即沖浪者的雙腳之間。 通常，發(fā)生這種情況的原因是，沖浪者掉入水中后，波浪撞擊到中間并將其撕成兩部分，或者沖浪者的腳太靠近并把身體的壓力集中在中間。

研究人員解釋說(shuō)：“在這兩種情況下，巨大的力作用在板的中部，導(dǎo)致很大的彎曲應(yīng)力，可能導(dǎo)致斷裂�！薄坝捎谶@兩種斷裂都是由彎曲應(yīng)力引起的，因此可以采用機(jī)械三點(diǎn)彎曲測(cè)試來(lái)確定這種載荷下板的強(qiáng)度�！�

△經(jīng)過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的蜂窩結(jié)構(gòu)均勻的木板

該小組在三點(diǎn)載荷下測(cè)試了蜂窩板，應(yīng)變速率為0.001 s-1的測(cè)試是在室溫下，兩個(gè)支架之間相距80毫米的情況下進(jìn)行的。 進(jìn)行了位移控制測(cè)試，以使彈性范圍內(nèi)的最大撓度達(dá)到4 mm。

△I形梁和等效截面的木板用橙色線表示

為了驗(yàn)證這些結(jié)果，并在測(cè)試下對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行建模，研究人員開發(fā)了一種“幾何線性分析方法”，使用等效X形截面，其X軸的幾何剛度發(fā)生變化，以模擬蜂窩結(jié)構(gòu)。 然后，基于ABAQUS軟件的幾何非線性有限元方法在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下模擬了具有各種不同芯結(jié)構(gòu)的板。

△有限元方法模型的邊界條件

模擬了彎曲測(cè)試以驗(yàn)證FEM模型，并且團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析以確保數(shù)值結(jié)果準(zhǔn)確。 然后，他們對(duì)蜂窩芯的樣品板進(jìn)行了相同的測(cè)試，最大撓度為4 mm。 在板的中間發(fā)現(xiàn)的最大應(yīng)力約為40 MPa，該應(yīng)力足夠低，可以將板“保持在所需的彈性區(qū)域”。

△馮·米塞斯（Von Mises）用均勻的蜂窩狀芯板

研究人員解釋說(shuō)：“PLA板在高達(dá)300 N的力下顯示出線性彈性變形，超過(guò)此力，材料會(huì)屈服，然后在500 N之后表現(xiàn)出平穩(wěn)的塑性變形�！�

△蜂窩板和完全填充板的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)值和分析載荷-撓度曲線的比較

一旦團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了蜂窩狀核心結(jié)構(gòu)板的幾何非線性FEM模型，他們就會(huì)模擬底殼核心的其他圖案。使用幾何非線性FEM軟件包ABAQUS進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，同時(shí)使板的總體積保持恒定，這有助于他們找到具有最大抗彎曲性的結(jié)構(gòu)。

他們測(cè)試的不同結(jié)構(gòu)包括：

●六邊形（HR）結(jié)構(gòu)
●三角蜂窩結(jié)構(gòu)
●六角碳晶格
●松果和向日葵啟發(fā)的樣式
●蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的圖案
●功能分級(jí)（FG）蜂窩結(jié)構(gòu)

研究人員寫道：“對(duì)于所有結(jié)構(gòu)，都進(jìn)行了網(wǎng)格收斂研究，并為FEM模型選擇了適當(dāng)數(shù)量的元素。此外，所有具有不同核心結(jié)構(gòu)的電路板的最大應(yīng)力都顯示出最大應(yīng)力低于PLA材料的屈服應(yīng)力。”

（a）具有兩個(gè)8號(hào)和13號(hào)相反方向的螺旋形的松果體； （b）斐波那契螺旋形向日葵； （c）采用斐波那契螺旋設(shè)計(jì)的松果形結(jié)構(gòu)。

他們發(fā)現(xiàn)，具有FG蜂窩結(jié)構(gòu)的板在500 N力下的彎曲性能最佳，實(shí)際上比具有均勻蜂窩結(jié)構(gòu)的板好31％。 這意味著它可以承受最大的力，而不是像其余結(jié)構(gòu)一樣承受中間力。

研究人員總結(jié)說(shuō)：“由于文獻(xiàn)中缺乏相似的設(shè)計(jì)和結(jié)果，因此，本文有望推動(dòng)水上運(yùn)動(dòng)板的發(fā)展，并為設(shè)計(jì)人員提供可以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)設(shè)備性能的結(jié)構(gòu)。”


編譯自：3dprint