夹心板结构：3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构（五）
“三明治”结构蜂窝芯而通常具有多孔特性，这些内核通常具有复杂的拓扑结构。蜂窝芯可以是泡沫结构、蜂窝结构和基于桁架的格子结构的形式。本期结合将结合《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夹心板结构设计，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
更柔软、更灵活的内层夹在两个坚固且刚性的外层（面）之间。冲击载荷条件下的损坏模式包括底面上的开裂、核心屈曲、脱粘、剪切和损坏起始。夹层结构提高了材料可以吸收的应变能量，同时还将冲击力分布在广阔的区域，并防止在材料的孔和层界面处形成裂缝。
由于在结构遭受意外碰撞时塑性变形可以吸收冲击能量的特性，金属夹层结构近年来受到广泛关注，并开始在航空、船舶、交通等众多工程领域得到应用。夹层结构的耐撞性已通过如下所述的仿生芯设计替换各种多孔芯（例如泡沫、蜂窝和桁架）而得到改进。
多种形式的夹心板结构
l 螳螂虾
孔雀螳螂虾，也被称为 Odontodactylus scyllarus，它的指尖被描述为自然界中最强的水生动物结构之一。他们可以忍受重复冲击力可延伸至 1500 N，而不会发生任何灾难性故障。因此，螳螂虾可以作为一种耐损伤的仿生学的灵感来源。螳螂虾的外层（壳）由夹在撞击面和壳下层之间的撞击区域（波纹结构）组成。从这种核心设计中汲取了灵感，科研人员制作了夹芯板并研究了它们的能量吸收能力。
科学家们设计了一种多孔波纹夹芯板，利用两个不同的波纹方向来增强结构吸收能量的能力。结果，创造出了一种新型的轻质仿生双正弦波纹（DCS）夹层结构。
用于制造夹层结构的材料是1060铝合金。通过使用 LS-DYNA 在变形率为 2 mm/min 的准静态破碎载荷下进行数值分析，研究了仿生波纹夹芯板的均匀压缩。与规则的三角形和正弦波纹夹芯板相比，仿生 DSC 夹芯板被证明可以提高结构的耐撞性，同时大大降低初始峰值力。
图 (A) 仿生正弦波纹夹层结构的集成设计过程 (a) 螳螂虾 (b) 其保护结构的 SEM 图像 (c-d) 仿生设计 (B) (a)啄木鸟（b）喙（以厘米为单位）（c-e）喙的 TEM 图像（f）来自啄木鸟喙的仿生蜂窝结构（C）具有网格增强蜂窝芯的夹层结构示意图。
l 啄木鸟的喙
鸟类的喙，尤其是啄木鸟的喙，可用作能量吸收器的高抗冲击性和高损伤容限设计。
啄木鸟的喙以大约 6 到 7 m/s 的速度撞击树干，而不会损坏喙和大脑。啄木鸟喙和头部的解剖结构表明它们具有减震能力。
啄木鸟上喙的多孔蜂窝结构是使用透射电子显微镜 (TEM) 成像发现的，这表明角蛋白颗粒是密集排列成蜂窝状结构。然而，与传统的蜂窝不同，啄木鸟喙的蜂窝结构表明它们的细胞壁具有波浪状的正弦结构，波浪形结构可以提高喙部的能量吸收性能和损伤容限。受到新的仿生蜂窝结构的启发，科学家从而设计了一种新的夹层结构，并进行了测试以评估其能量吸收能力。
尽管多孔蜂窝芯夹芯板具有各种优点 ，但仍存在必须考虑的某些限制。例如，蜂窝被夹层板的粘合面完全覆盖，夹层板容纳了可能被困在细胞内的水和蒸汽。这增加了结构的重量，同时也降低了其机械性能。
基于喙啄木鸟微观结构的新型仿生多孔蜂窝夹芯板 (BPHSP)，的墙壁被设计成波浪形，模仿微观结构作为夹芯板核心的喙部。采用有限元软件ABAQUS/Explicit对BPHSP的性能进行了研究。压缩测试以 10 m/s 的恒定速度进行。有限元模拟显示，面板的比能量吸收比具有相同芯材厚度的标准蜂窝夹芯板高 1.25 倍。
l 叶子
在自然界中，植物的叶子能够高效地承受风雨产生的长期交替应力。植物叶片在整个生长过程中重新定向生长叶片中的多孔维管静脉，叶片承受机械应力的能力增加。
叶弯曲和抗扭性受叶柄横截面的形状和大小的影响，叶片中的静脉不仅允许水分和养分通过叶片，还有助于保持叶片的形状并防止裂缝扩散。
这些静脉形成网格图案，成为研究人员的灵感来源，将其应用于需要加强的结构，特别是夹层结构的核心。研究人员从叶子中汲取灵感并应用在它们的夹层结构中。
为了加强夹层结构的软蜂窝芯，科学家们设计了周期性的仿生网格，并结合在其多孔蜂窝芯中，网格增强蜂窝芯可以描述为多级网格排列，在芯本身内具有多个网格层。为了研究机械性能，在 Instron 8501 机器上以 10 mm/min 的变形速率进行了平面内压缩实验。多孔夹层结构由 6060T5 铝合金制成，实验结果表明，仿生结构的刚度增加了 5.3%，能量吸收和临界屈曲载荷增加，高于只有蜂窝芯而没有网格加固的试样。
夹心板结构激发3D打印应用前景
l 电机外壳
赛峰电气与电源公司与英国增材制造软件Betatype公司合作开发3D打印的电机外壳，通过3D打印技术以及增材制造设计，电机外壳的设计得到优化。
通过Betatype软件平台开放的 Arch格式，能够避免因创建网格结构而产生大量的数据，软件中抽象的算法，大大降低了CAD模型数据的复杂度，使得模型数据更容易管理。软件平台还可以评估3D打印过程中激光的最佳运动，以产生零件的精细细节。
Betatype团队在设计夹层结构时，在夹层之间使用了超高密度点阵结构，夹层结构包括超过1000万个胞元结构。Betatype公司表示，应用Engine-Platform 中的技术和多尺度方法，能够将扫描路径和曝光设置控制到夹层结构设计的每个元素，在这种情况下，粉末床激光熔融工艺超过其标准工艺，从而创造出所需的超高密度点阵结构。
l 蒙皮结构
根据3D科学谷的市场了解，西安飞机设计研究所研究的蒙皮热交换器的外层散热单元与内层散热单元采用3D打印整体成型。其中，外层散热单元外表面、外层散热单元内表面及多个外层散热隔板采用3D打印整体成型。内层散热单元外表面、内层散热单元内表面及多个内层散热隔板采用3D打印整体成型，通过3D打印实现一体化的结构，提高了整体强度。
这是一种双层飞机蒙皮热交换器，包含外层散热单元和内层散热单元，外层散热单元与内层散热单元之间设置有空气通道，外层散热单元设置有外层散热微通道，内层散热单元设置有内层散热微通道，换热效率高，可减少集中热辐射和雷达热反射面积，可以满足飞机隐身性能要求。这种双层飞机蒙皮热交换器安装在机身蒙皮外表面，利用空气带走液体的热量，减小了系统对飞机的燃油代偿损失。
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