蜂窝结构：3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构（三）
蜜蜂创造的蜂巢是著名的天然生物灵感结构之一，蜂窝是一种多孔结构材料，具有令人难以置信的特性，例如高刚度重量比和强度重量比。蜂窝设计已用于各种工业领域，如航空航天、海洋和运输。它们表现出出色的性能，例如能量吸收能力和冲击保护。本期内容主要关注具有模仿自然的特殊几何形状的蜂窝，例如马蹄、蜘蛛网和柚子皮。
本期将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文，解读模仿自然结构可帮助开发更有效的蜂窝结构设计，并增加能量吸收能力。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004432?dgcid=rss_sd_all#
多孔结构-来自大自然的灵感
© 3D科学谷白皮书
多种形式的蜂窝
3D科学谷在《蜂窝陶瓷的设计演进与3D打印应用案例》一文中分享过，开孔蜂窝结构以不同的形式存在于自然界中。如今，塑料、金属和陶瓷等多孔材料已在工业化生产中发挥作用。这些结构在高温下具有出色的性能，在恶劣环境下（酸性，碱性或氧化性）表现出稳定性以及出色的热机械性能（抗热震性）。由于其多孔性质，它们具有更高表面积和渗透性的流体相，因此适合应用在催化、太阳能收集、储热、热交换，辐射燃烧器等领域。
根据大连理工大学与清华大学有关先进蜂窝结构设计及力学性能提升方面的综述文章《Advanced honeycomb designs for improving mechanical properties: A review》，蜂窝是典型的多孔材料，具有平面内的二维单元阵列和平面外的平行堆叠，具有周期性拓扑分布的特征。蜂窝结构比其基体材料具有更高的孔隙率和更低的质量密度，因此具有很高的比刚度、比强度和比吸能。宏观尺度上的三种蜂窝设计策略包括分层级策略、梯度策略和无序策略。三种蜂窝结构的设计策略则包括混杂策略、弯曲策略和增强策略。
l 马蹄
蹄具有相当的多孔结构，并显示出有希望的能量吸收特性，能够承受高应力冲击条件。
根据3D科学谷的了解，科学家们设计了一种新的仿生蜂窝形状，由马蹄组成，研究旨在检查在平面外均匀压缩下发生的机械特性。
为了研究新型马蹄形蜂窝结构的力学行为，通过ANSYS LS-DYNA进行模拟实验。在模拟过程中，顶部刚性板被设置为以规定的 1 m/s 十字头速度向下移动。还使用参数分析进行了显示波幅、波数和单元壁厚度对平面外耐撞性影响的研究。
从数值模型中可以看出，与传统的蜂窝结构相比，添加马蹄蜂窝结构获得更高的比能量吸收。
(A) 不同截面的马蹄形蜂窝(B) 截面几何形状 (a) 正六边形蜂窝 (b)-(c) 一阶和二阶蜘蛛网蜂窝 (C) 柚皮启发的层次蜂窝结构和几何形状。
© Additive Manufacturing
l 蜘蛛网
科学家们研究了原始单元中心的较小六边形，并通过直梁连接后续顶点，这在底层六边形网络中创建了蜘蛛网层次结构，科学家们还研究了这种新型仿生分层蜂窝结构的平面外耐撞性的实验数据开发和验证了有限元模型。
破碎过程由 ANSYS LS-DYNA 通过 400 kg 冲击器和 15 m/s 的规定速度进行数值模拟。蜂窝的基材是铝合金6060 T4。在刚度和能量吸收等机械特性方面，分层蜂窝也与普通蜂窝进行了比较。适当调整层次结构可以有效调节能量吸收能力。
研究结果表明，一阶蜘蛛网分层蜂窝的 SEA 增加了 62.1%，而二阶蜘蛛网分层蜂窝的 SEA 增加了 82.4%。
l 柚子皮
柚子（柑橘类最大水果）可重达 6 kg，并且生长在高达 15 m的树上，它们在落到地面时可以吸收大量动能，这是由于柚子皮具有多孔的层次结构从而能够消散能量。
在检查柚子皮内部结构-功能关系时，结合 X 射线断层扫描成像和数字体积相关表明，柚子皮独特的微观结构（即细胞连接的维管束）在柚皮的强度中起着至关重要的作用。
柚子皮具有独特微观结构，可用于构建一种新颖的分层蜂窝。科学家们通过设计一种新的仿生蜂窝结构来研究多孔结构材料的破碎行为，为了获得定量的结构-性质联系，科学家们使用了分析-数值方法。该方法基于参数研究来研究结构的替代层次顺序和厚度。
通过增加结构层次和修改柚皮蜂窝的几何尺寸，结构产生了更好的抗压性和能量吸收能力。与标准蜂窝相比，在面外和面内破碎过程中，分层蜂窝的比能量吸收 (SEA) 和相应的平台应力分别提高了 1.5 倍和 2.5 倍。
蜂窝结构激发3D打印应用前景
根据3D科学谷，3D打印在实现结构一体化和蜂窝状结构方面具备优势。最近的市场研究发现，航空航天领域，赛峰开发了带蜂窝结构的3D打印离心脱气器，通过3D打印，可以方便实现在径向上和在轴向上改变蜂窝结构的纹理和孔隙率， 同时腔室和小齿轮形成单一件。
汽车领域，保时捷带蜂窝结构的电动机外壳实现了减重的技术追求，3D打印增材制造的合金外壳比传统铸造部件的重量更轻，由于功能集成和拓扑优化，外壳部件的重量减轻了约 40%，并将驱动器的总重量减少了大约 10%。还实现了更佳的刚度，由于只有通过增材制造才能实现的特殊结构，高应力区域的刚度增加了一倍。尽管连续壁厚仅为 1.5 毫米，但由于使用了点阵结构，电动机和变速箱之间的刚度提高了 100%。
© 保时捷
医疗领域，3D打印技术能够实现更复杂的植入物设计，例如美敦力（Medtronic）最近推出的ARTiC-L脊柱系统上的蜂窝形状。
Artic-L 是美敦力使用 TiONIC 技术制造的第一款植入物。该植入物由钛制成，旨在供外科医生在脊柱手术中使用。3D科学谷在《盘点全球已商业化的3D打印椎间融合》介绍过，ARTiC-L是美敦力使用TiONIC Technology 3D打印技术制造的首个植入物。该植入物由钛合金材料制成，专为外科医生设计用于经椎间孔腰椎椎间融合术（TLIF）脊柱手术。植入物的3D打印蜂窝设计作用相当于骨传导支架，使骨生长到植入物中，并改善了整个植入物的机械负荷分布。
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