江蘇雷射聯盟導讀：
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家設計了一種新型3D列印晶格結構，這種結構綜合了超輕結構和高剛度的優勢，打破了之前認為需要展示此類特性的Maxwell設計規則。他們為此專門開發了一個設計軟體，使用他們編寫的拓撲優化軟體，創建了兩個由微架構桁架組成的獨特單胞設計，其中一個被設計為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。
SEM觀察到的使用投影顯微立體光刻列印技術得到的經典的八位元晶格和拓撲優化,各向同性扁圓以及準球形八面體晶格
SEM觀察到的使用投影顯微立體光刻列印技術得到的經典的八位元晶格和拓撲優化,各向同性扁圓以及準球形八面體晶格。
投影顯微立體光刻 列印技術
具有隨機微結構的材料,如泡沫材料,典型的呈現出低的機械強度,而設計的具有微結構的格柵結構則經常表現出顯著的提高的剛性.這些周期性的架構材料在早先已經被通過一定的規則進行了設計，使用的是Maxwell準則來確保他們的變形主要受他們的稜柱的拉伸所制約。經典的設計遵循這一規則時則傾向於各向異性，其剛性依賴於載荷的方向，但在最近，各向同性設計曾經被報導在疊加互補各向異性晶格的時候得以實現。我們使用拓撲優化設計了剛性的各向同性晶格，這是一種基於連續有限元分析的辦法。在這裡，我們為大家展示了基於這些晶格設計進行3D列印的實驗，證實了預測的性能和展示了他們在按照規則設計後所得到的結果的有效性，儘管看起來有些違反了Maxwell準則。這些研究發現進一步證明了拓撲優化在設計前所未有的材料的性能方面的獨特的潛力。
投影顯微立體攝影術 為基礎的3D列印製造聚乙二醇二丙烯酸酯時所得到的格柵材料
來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人員設計了一類新的３D列印晶格結構的材料，這一設計綜合了超輕和高剛性的優勢，儘管這一設計打破了早先的設計規則所應該具有的性質。其中這一設計的結構額外的還呈現出在不同的方向施加力的時候均可均勻的進行變形反應。
正如他們將這一成果發表在頂刊《 Science Advances》上所描述的那樣，一個LLNL的研究團隊在Seth Watts的領導下，使用拓撲優化軟體，他們設計出兩種獨特的單元細胞的晶格設計方案。其組成為微結構桁架，其中一個設計成各向同性的材料性質（即各個方位性質均一致）。這些新的結構被製造之後並進行了測試，研究發現其性能完勝八進位的稜柱結構，這是一種用於３D列印晶格結構時的一種標準的形狀。
楊氏模量同 單軸載荷狀態的方向（單元晶格的矢量）之間的關係
讓研究人員感到驚奇的是，其晶格柵架結構看起來明顯違反了Maxwell準則,這一準則是一個結構剛性的用於機械設計的處理辦法,該原則假設認為結構能夠承受的最大的有效載荷變形時只在拉伸的時候.在這一結構中,剛性的大小同密度呈線性關係 —將材料結構的重量減半的話只是將其剛性進行了減半,相反的是,結構的剛性的有效性則會減少三分之一或者八分之一.這一線性的尺度使得創造出超輕,超剛性的機械超材料成為可能。
我們發現這一兩個柵格結構所得到的材料的剛性在傳統的設計準則時同密度也是呈線性的關係 —這一Maxwell 準則在此時並不生效,論文的聯合作者Watts解釋說,一直以來我們認為Maxwell 準則在我們應用低密度的高剛性材料的時候是必要和充分的.我們的研究結果證明這一準則不再是一個必要的前提條件.換言之,這裡存在大量的稜柱具有這一線性的尺度準則。
我們的研究結果證明早先的理論並不正確,Watts補充到,這裡也存在例外,並且這一例外確實可以讓你得到更加好的材料性質。
通過投影顯微立體攝影術3D列印工藝,該工藝是使用光來投影到一個光敏感的聚合物樹脂中來層層構建目標物體的,LLNL的研究團隊利用這一技術來通過不斷重複的設計的剛性同同等密度的八面體稜柱的剛性幾乎一樣的八面體與正立方的單元晶格來列印.結果其機械性能在機械載荷不管在那個方向施加的時候都是均勻的.這一設計理念經過了實驗驗證,也是正確的。
研究人員稱,由於均勻的反應,各向同性晶格可以任意的依據已知的或者說是未知的進行任意的空間排列和承受載荷,使得工程設計人員可以製造出比以前的稜柱結構如八面體設計的結構的剛性要好得多.同時以前的設計所得到的超高剛性也只在特定的方向上才能獲得。
這一各向同性柵格結構使得你在考慮應用場景的時候可以不用理會載荷的方向,該論文的合作者Chris Spadaccini說到,他是LLNL實驗的工程材料和製造中心的主任,例如,你將不再需要擔心載荷的施加角度問題.這一工作表明這一新的設計理念將會使你得到以前你所不能得到的更好的材料性能,因為這一設計理念違反了傳統的設計理念。
研究人員說，這一工作同時也證明了使用拓撲優化技術之後，工程人員可以設計新的結構來,完勝採用傳統的設計理念所得到的材料的性能。
論文的聯合作者Wen Chen對不同密度的樣品進行了測試來觀察當他們在不同的角度進行壓縮的時候會發生什麼現象來展示他們的各向同性的性質。Chen說,實驗結果非常令人驚訝並且研究證明了結果確實改變了原先的承諾，這一結果顛覆了經典的八面體稜柱的設計理論。
目前這一結果表明在你使用計算工具來設計材料的結構來滿足你的目標性能的時候,這就為設計新的結構材料打開了一扇新的大門,Chen說到,第二,他證明了柵格設計的材料的機械的有效性.對於應用在複雜應力狀態的場合,你期望該材料是具有各向同性的.這就解釋了我們的晶格結構的有效性,因為在一個真實的應用場合,你經常需要一個新的材料滿足不同載荷方向施加力的應用問題。
目前這一工作是LLNL正在開展的使用計算模擬的辦法來優化設計3D列印部件的一部分工作。Watts，工作在LLNL的設計和優化中心，說，各向同性的材料結構的設計完全是通過計算模型來實現 的。這一新的設計，同算法一起來發展起來的，正在整合進利弗莫爾的設計優化代碼中來使得這一現在的技術可以有效的應用於實驗室的其他應用方案的場合。例如，研究人員已經使用這一辦法發展了一個定製的單元用於美國國家點火設施的應用。
研究人員同時宣稱各向同性的稜柱結構可以拓展應用於3D列印金屬和陶瓷，並且證明其剛性，在超輕材料時也是需要的。這對生物材料的應用，如3D列印生物組織，需要進行可調製的剛性時是非常重要的。在航天領域也會找到這方面的應用。在無人機中或戰鬥機中，例如，需要減輕重量的場合具有雙重的意義，增加了設備的可操控性和減少了設備的慣性，使得其具有極端優異的性能。
輕質結構的設計同時還可以減輕製造成本，燃油消耗和減少材料的浪費。同時還擁有其他優點，如對工程結構來說可以具有更加優化的結構。Watts說到。研究人員同時在文中對當前LLNL正在開展的工作也做了介紹，他們正在設計一個類似圖書館的柵格單元細胞的具有定製性能的設計的資料庫。
我們需要拓展設計的邊界並超過直觀的設計，Spadaccini說到，我們的長期研究目標是從僅僅選擇最新文獻中的晶格設計來轉向創造和使用我們最新的材料資料庫。我們可以使用這些辦法來滿足我們特殊的要求，並且材料將會獲得優異的性能。最終，我們將像我們在LLNL的工程分析師一樣使用這一設計辦法來作為設計的工具。
Watts及其團隊正在持續開展他們的工作，包括一個完全的表徵所製備材料的晶格結構，考慮其物理性質在超越其線性彈性模量的前提下，包括傳熱，非線性機械性能，振動和失效。理解這些反應在大範圍的現象時的作用結果並在更加精確的設計多尺度結構的單元時使用這些超材料。
將來用於超輕多孔結構材料的一種平板的晶格結構材料