柔性增材制造蜂窝在冲击载荷下的性能：拓扑和取向的影响

《Advances in Materials Science and Engineering》：Flexible Additively Manufactured Honeycombs Under Impact Loading: Effect of Topology and Orientation

　　

增材制造（Additive Manufacturing, AM）使得制造具有可定制力学行为的轻质多孔晶格成为可能。本研究考察了由熔丝制造（FFF）生产的热塑性聚氨酯（TPU）蜂窝在低速冲击下的响应，并使用开放式霍普金森压杆（OHPB）系统进行测试。研究人员设计了五种拓扑结构——方形（Sqr）、六边形（Hex-0^°和Hex-90^°）以及内凹（Re-ent-0^°和Re-ent-90^°）——具有相同的体积分数，并通过在9 m/s标称冲击速度下的力-位移分析进行评估。方形拓扑表现出最高的峰值力，比拉胀的Re-ent-0^°构型高出约80%，而旋转六边形晶格（Hex-90^°）表现出最高的能量吸收，达到比Re-ent-0^°高约60%的值，同时保持中等刚度。内凹晶格提供了以折叠和屈曲为主的更柔顺的响应，而方形和六边形晶格在更短的位移范围内承受更高的载荷。所有结构在冲击后都表现出显著的形状恢复，表明TPU壁在冲击载荷下主要是弹性和可逆的响应。这些实验结果突出了晶格拓扑对柔性蜂窝中刚度-能量耗散平衡的影响，展示了它们在可重复使用能量吸收应用中的潜力，例如鞋类、防护设备和软体机器人。

论文解读文章：

**研究背景、问题与意义**

增材制造技术（Additive Manufacturing, AM）为制造具有可定制力学行为的轻质多孔晶格提供了新途径，这类结构在鞋类、头盔和防护装备等抗冲击部件中具有广阔应用前景。尽管已有大量研究关注蜂窝材料的准静态力学行为，但在动态加载下（尤其是低速冲击）的响应仍不充分。拓扑结构（如方形、六边形和内凹）以及加载取向对能量吸收和变形机制的影响缺乏系统性理解。为此，研究人员针对熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）制备的热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）蜂窝结构，开展了低速冲击实验，旨在揭示拓扑和取向对冲击性能的调控规律。该研究发表于《Advances in Materials Science and Engineering》。结果表明，通过合理选择单元胞几何，可在刚度与能量耗散之间实现平衡，为可重复使用的能量吸收组件（如鞋类、防护设备和软体机器人）提供了设计指导。

**技术方法**

研究人员使用SolidWorks 2021设计五种二维蜂窝拓扑：方形（Sqr）、六边形（Hex-0^°和Hex-90^°）及内凹（Re-ent-0^°和Re-ent-90^°），目标体积分数均为0.30。通过FFF工艺（Ultimaker S3打印机, TPU 95A丝材，层高0.2 mm，喷嘴直径0.4 mm）制造30×30×30 mm样本。采用开放式霍普金森压杆（OHPB）系统（聚合物杆，长1.8 m，直径2英寸）进行面内冲击测试，标称冲击速度约9 m/s。通过应变片和高速摄像（Tracker软件）记录数据，利用MATLAB处理得到力-位移曲线，提取峰值力和峰值前吸收能量。所有拓扑各测试三个重复样本以确保重复性。

**研究结果**

**3.1 力-位移行为**

通过力-位移曲线分析，方形（Sqr）拓扑表现出最高峰值力，比Re-ent-0^°高约80%，得益于其拉伸主导（stretch-dominated）架构，轴向传力效率高。Hex-90^°的峰值力接近Sqr，且比Hex-0^°高10%–15%，表明取向影响显著。Hex-0^°和Re-ent-0^°因弯曲主导（bending-dominated）变形，峰值力比Sqr低35%–40%。Re-ent-90^°的峰值力比Re-ent-0^°高约20%，处于中间水平。所有曲线呈钟形，无突然下降或振荡，表明稳定变形无断裂。

**3.2 变形模式**

通过高速成像观察，六边形拓扑（Hex-0^°和Hex-90^°）通过渐进面内弯曲变形，力响应稳定；内凹拓扑（Re-ent-0^°和Re-ent-90^°）以局部屈曲和折叠为主，响应更柔顺，Re-ent-90^°还出现整体面内屈曲（C形弯曲）。方形（Sqr）拓扑沿垂直支柱轴向压缩，变形均匀，侧向运动极小。所有拓扑均无可见断裂或永久变形，表明TPU壁具有高形状恢复能力。

**3.3 能量吸收**

通过计算峰值力前力-位移曲线下面积，Hex-90^°吸收能量最高，约比Re-ent-0^°高60%，同时保持中等刚度，实现了密度能量吸收（SEA）达1.49 J/cm³。Sqr虽峰值力最高，但位移范围短，能量吸收中等。Hex-0^°吸收能量比Hex-90^°低约30%。Re-ent-90^°结合了比Re-ent-0^°高约20%的峰值力和相近的能量吸收。与文献对比，本研究SEA值（0.93–1.49 J/cm³）显著高于低速下TPU蜂窝（0.03–0.25 J/cm³）及ABS拉胀结构（0.63 J/cm³），接近尼龙结构（1.22–6.02 J/cm³），突显了拓扑驱动设计的效率。

**总结讨论与结论**

讨论部分强调，TPU 95A作为粘弹性材料，其动态刚度在冲击下增加（动态硬化），但不同拓扑之间的相对性能排名由几何结构决定，而非材料变化。与材料级改性（如碳纤维增强或双材料复合）相比，拓扑设计能实现相当或更优的能量吸收，且制造更简单。研究结论指出：（1）拉伸主导的方形拓扑峰值力最高（比Re-ent-0^°高约80%），但能量吸收有限，适用于优先考虑结构支撑的场景；（2）内凹设计因拉胀几何提供高柔顺性和高效能量耗散，适合冲击衰减；（3）旋转六边形晶格（Hex-90^°）吸收能量比Re-ent-0^°高约60%，兼具缓冲和抗性；（4）所有样本在冲击后均显示出高形状恢复能力，无可见损伤或永久变形，表明TPU壁主要发生可逆变形，适用于高循环韧性和可重复能量吸收的应用。这些发现为柔性蜂窝在可重复使用能量吸收组件中的设计提供了基础。