具有複合特徵的仿生結構因獨特的機械性能，為各種工程應用開發設計優異性能的結構提供了設計思路。然而，在仿生製造和設計這些複雜精細結構時，在模具成型和複雜結構驗證等方面常常受到加工條件限制。3D列印可快速製造各種複雜結構，為仿生結構的設計、製造和驗證提供了新方法。
仿生（a）兼具剛硬和韌性結構來設計（b）分級彎曲和拉伸主導的混合晶格結構
© 福建物質結構研究所
中國科學院福建物質結構研究所研究員吳立新團隊面向輕量化3D列印結構在鞋業和汽車等領域的應用開展研究。受自然界生物結構兼具剛度和柔韌性的特徵啟發，科研人員通過分級彎曲和拉伸主導的結構來設計混合架構的晶格。
進一步，該工作使用純樹脂及高二氧化矽固含的複合材料，採用3D列印方式製備了以上晶格結構，並將結果與理論分析數據進行比較以驗證設計合理性。結果表明，該結構設計比單一晶格拓撲結構的模量和應變能量密度提高了7倍。添加填料進一步將結構的剛度提高12倍以上，且減少了結構屈曲。此外，該工作還評估了帶有石墨烯基塗層表面的混合晶格設計特性。該研究設計的晶格結構具有良好的彈性恢復能力，且功能化特性也得到了拓展。
相關研究成果發表在Additive Manufacturing上。研究工作得到福建省「揭榜掛帥」重大專項和閩都創新實驗室自主部署關鍵技術攻關項目的支持。
之前，科研人員將3D列印用於防滑鞋底設計。仿照樹蛙等動物的足底結構進行仿生設計，結合材料研發和有限元計算，通過3D列印獲得在潮濕表面仍有良好摩擦力的結構。上述成果表明，3D列印可用於具有優異性能的仿生結構製造和驗證。
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