受软体动物启发,研究人员开发出柔性3D打印盔甲

3D打印快讯
2020
01/14
10:53
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来源:未知大陆

弗吉尼亚理工学院和州立大学(VT)机械工程系副教授Ling Li领导的研究团队开发了3D打印的柔性鳞片装甲,其灵感来自于一群海洋软体动物Chitons。这项研究刊登在《自然通讯》杂志上,旨在改善人造装甲中使用的刚性结构,这些结构通常会损害灵活性和可操作性。因此,使用参数计算模型和多材料3D打印,可以创建灵活的,可缩放的陶瓷装甲组件。

李教授解释说:“大多数软体动物都有一个单一的硬壳,例如鲍鱼,或两个贝壳,例如蛤。” “但是Chiton有八个矿化的板块覆盖了生物的顶部并围绕着它的底部,它有一个很小的鱼鳞状的腰带,像鱼鳞一样组装在一起,既提供了灵活性又提供了保护。”

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3D打印的柔性装甲受到碎玻璃上的Chiton软体动物的启发

3D打印腰带比例装甲
Chiton物种具有数百个细小的矿化鳞片,排列在围绕它们重叠的壳板的软带上。根据研究人员的说法,这确保了运动的灵活性和对其下层软体的保护,并且是多功能装甲设计的出色模型。此外,研究小组指出,在这项研究之前,尚未对Chiton的腰围秤进行深入研究。

李教授说:“我们以非常详细的方式研究了这种[腰围秤”。 “我们量化了它的内部微观结构,化学成分,纳米机械性能和三维几何形状。我们研究了多个Chiton物种之间尺度的几何变化,并且还研究了尺度如何通过3D层析成像分析组装在一起。”

结果,开发了复制单个比例尺几何形状的参数化3D建模方法。这用于在平面或弯曲的基板上组装单个秤单元,然后可以进行增材制造。在此之前,VT的科学家开发了一种3D打印压电材料的方法,该材料将机械能转换为电流。

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Chiton软体动物长约1-2英寸,有八个大板,并由较小,较灵活的鳞片围成一圈。软体动物是3D打印盔甲背后的灵感

保护灵活性装甲系统
3D打印装甲的刚度来自于鳞片的排列,并通过计算模型进一步强调了这一点。这是为了揭示当外部载荷达到一个临界值时,鳞片装甲是如何变得互锁和刚性的。当它与力接触时,这些鳞片向内聚合,形成一个坚固的屏障。

还观察到,当3D打印比例尺未受力时,它们可以彼此移动以根据形状和位置提供不同数量的柔韧性。李教授补充说:“借助这些具有受控样品几何形状和尺寸的物理原型,该团队在受控的加载条件下对它们进行了直接的机械测试。”
经过这些测试,研究人员得出结论,生物装甲系统的双重保护-柔韧性性能将适用于生产3D打印保护装备,例如护膝。

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