鐳明激光助力沈陽理工大學在增強3D打印蜂窩結構的力學性能領域取得重要進展

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時間：2025-12-09

蜂窩結構長期以來因其輕質高強的特性而備受重視，成為各種工程應用的理想選擇。傳統的六邊形蜂窩設計已被廣泛應用，開發出滿足特定機械要求的多種結構形式。然而，隨著應用場景的日益多樣化，越來越需要能在不同加載條件下提供特定機械響應的蜂窩結構。

為此，沈陽理工大學徐名揚團隊開始關注新的設計方法，將梯度策略、生物結構和增材制造相結合，為設計具有優異力學性能或能量吸收能力的蜂窩結構提供新思路。

研究團隊通過模仿竹壁橫截面微觀結構和蝙蝠翅膀骨架結構，設計了兩種仿生梯度圓形蜂窩結構：壁啟發嵌套自相似梯度蜂窩（WNSGH）和骨架啟發嵌套非自相似梯度蜂窩（SNNGH），并研究了這兩種梯度蜂窩結構和常規圓形蜂窩結構（RCH）在三種加載速度下的面內壓縮力學行為。

從左至右為3D打印樣品：RCH、WNSGH和SNNGH

(a)RCH、(b) WNSGH及(c) SNNGH三種蜂窩結構的幾何尺寸示意圖。

這三種蜂窩結構在平面內均包含6層結構。梯度蜂窩結構由不同幾何構型的單元體自上而下逐層堆疊構成，每兩層為一個梯度層級，最終形成三層梯度結構的蜂窩架構。

相關研究成果“Mechanical characteristics of additive manufactured biomimetic gradient circular honeycombs with nested strategy under static and dynamic loading”發表于國際力學領域期刊International Journal of Impact Engineering上，該期刊2023年影響因子為5.1。

研究人員還將甲蟲翅鞘中肋板增強的微觀結構引入傳統六邊形蜂窩中，結合多層梯度結構的特點，設計了兩種肋板增強梯度蜂窩結構：壁肋增強梯度蜂窩（WRRGH）和頂點肋增強梯度蜂窩（VRRGH）。采用SLM技術制備了AlSi10Mg合金梯度蜂窩結構試件，并研究了這兩種梯度蜂窩結構和均質六邊形蜂窩結構在三種應變率（10?³ s?¹、220 s?¹、1500 s?¹）下的面內力學性能和能量吸收能力。

3D打印過程和選擇性激光熔化(SLM)制造的梯度蜂窩試件：(a)打印方向；(b)制造過程；(c)成型試件

在3種應變率下這兩種梯度蜂窩的比吸能（SEA）均大于均質蜂窩。本研究為設計具有優異力學性能和抗沖擊能力的多層梯度蜂窩結構提供了新的視角。研究成果“Mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy gradient honeycomb with rib reinforcement at different strain rates”發表于Thin-Walled Structures，2023年影響因子為5.7。