（二）管狀結構 l 3D列印多材料、多尺度和多功能仿生多孔結構

管狀結構設計的特點是相同方向的中空或流動通道。這種設計技術被自然界中幾種非凡的吸能材料所認可，包括竹子、馬尾植物、甲蟲和肌腱。

當在微/奈米尺度上觀察時，可以在細胞壁、血管等結構中發現小管。管的半徑、體積分數和壁厚是影響機械效能的關鍵因素。管子設計的典型能量吸收機制包括屈曲、彎曲、塌陷和分層。最後，小管已經證明可以透過變形過程促進能量吸收以及在小管壁解體時開裂來提高抗衝擊性。

圓形管是最廣泛使用的幾何形狀，因為它們具有高強度、剛性、柔韌性且易於生產，並且具有高能量吸收能力。

本期

谷。專欄

結合將結合《Lessons from nature： 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》這篇論文，解讀模仿自然結構可幫助開發更有效的圓形設計，並增加能量吸收能力。

原文連結：https：//www。sciencedirect。com/science/article/pii/S2214860422004432？dgcid=rss_sd_all#

多孔結構-來自大自然的靈感

竹子

竹子具有獨特的結構，由帶有對稱節點的圓柱組成。竹子的整體剛度/質量比大於金屬材料，例如鋼和鋁。竹樹可以承受由風施加的力產生的高彎曲應力。

比一些傳統材料具有更高的彎曲和抗壓強度，竹節也更耐開裂。形成多孔結構的竹子血管系統由相互連線的通道和具有薄壁細胞梯度分佈的多細胞網路組成。這種模式具有設計可以模仿竹子的機械效能的薄壁結構的潛力。

竹子的內部結構

然而，薄壁管具有一些限制，例如其橫向能量吸收低、摺疊時穩定性低（取決於壓頭的曲率）、橫向剛性差。由於結構在屈曲模式下失效，特別是對於具有大 L/D 比的管子，管子在軸向壓縮時的穩定性較低。

竹管與薄壁管的相似之處在承載、結構和功能方面為薄壁管的設計提供了靈感和參考。

竹子的多孔結構

為了建立有效的能量吸收結構，科學家提出了一種受竹子啟發的多細胞管（BMT）並進行了數值研究。BMT 由四根相互連線的圓形管組成。結構橫截面的靈感來自竹血管系統。仿生多細胞管從外到內每層有18、9和4個管，模仿竹子的血管梯度分佈。當使用非線性有限元法（FEM）進行模擬時，結果表明仿生設計在橫向和軸向衝擊載荷下具有四倍的比能量吸收（SEA）。

模仿竹維管束的梯度分佈，科學家們還開發了另外一種仿生設計，數值結果表明，仿生結構的承載能力是常規管設計的 1。24 倍。

另一方面，使用線切割放電加工（WEDM）製造竹子靈感的蜂窩管狀結構，對這些樣品以高達 4。4 m/s 的衝擊速度進行落錘衝擊試驗。得出的結論是，該結構的最大比能量吸收高於傳統金屬蜂窩結構。

馬尾植物

在馬尾植物中發現了中空的多細胞結構，這些多孔結構能夠承受風等橫向載荷條件］。因此，馬尾結構已成為開發一些仿生結構的基礎。

科學家透過 LS-DYNA 的非線性有限元方法研究了馬尾仿生多細胞管（HBMT）在低應變率下三點彎曲下的效能，根據他們的數值研究，單元數、內壁、直徑和壁厚對結構的耐撞性有顯著影響。

馬尾植物的多孔結構

為了升級設計，在最近的一項研究中，在設計中引入了泡沫結構，以 15 m/s 的衝擊速度進行了實驗性橫向衝擊試驗。基於對新設計的分析，發現仿生結構的泡沫密度和壁厚對其耐撞性有顯著影響。當使用 0。5 g/cm3 的泡沫密度和 3 mm 的管厚進行建模時，仿生結構的比能量吸收為 1。6 kJ/kg。結果再次表明，仿生結構的效能優於傳統的泡沫填充圓形薄壁結構。

甲蟲前翅

甲蟲前翅中小梁的內部結構也具有可模仿的多孔結構。科學家們提出了兩種基於瓢蟲內部結構和日本甲蟲前翅的新型仿生多細胞管。新型管由蜂窩和圓形管組成，其中圓形管位於蜂窩壁的中心。

採用鋁合金製造了兩種仿生結構的能量吸收特性，並使用非線性有限元軟體LS-DYNA透過比較原始蜂窩結構在軸向衝擊載荷下的能量吸收特性進行了研究。在 500 kg 的重量和 10 m/s 的速度下進行動態載入。結果表明，仿生設計的比能量吸收高於傳統的蜂窩結構。

（A）甲蟲前翅（B）日本甲蟲前翅的微觀結構

（A）由蜂窩和圓形管組成的仿生多細胞管（B）具有不同位置圓管的仿生多細胞管（C）具有不同橫截面的空心圓柱體中的圓形管（D）具有四邊形、六邊形和八邊形的仿生多細胞管節。

科學家們模仿瓢蟲前翅的特徵，並引入了由不同多邊形橫截面組成的各種圓形管，這些圓形管被設計為空心圓柱形結構，結果表明，當管的直徑在 18。13 毫米和 23。56 毫米之間時，規則的六邊形仿生設計表現出優異的比能量吸收特性。這項研究是透過數值模擬進行的。

其他研究人員也嘗試模仿管狀多孔結構研究了一系列具有四邊形、六邊形和八邊形截面的仿生設計，以瞭解圓管位置在設計截面內的影響，管的頂端用剛性板以10 m/s的恆定速度壓縮。結果表明，四邊形（29。94 kJ/kg）、六邊形（33。86 kJ/kg）或八邊形（36。09 kJ/kg）截面的比能量吸收（SEA）高於無管設計（22。99 kJ/kg）公斤）。

肌腱

肌肉主要透過肌腱與骨骼相連，肌腱是有助於運動的柔軟而厚實的結構。肌腱的解剖結構體現了自然界的等級制度。從奈米、微米到毫米的尺度定義了其橫截面，肌腱纖維的強度和韌性受幾種不同的損傷相關過程控制，這些過程在所有層次上執行。肌腱充當肌肉和骨骼之間的力傳遞結構。這具有在快速收縮肌肉時充當動態放大器的額外效果。

（A）肌腱（B）仿生管模擬肌腱結構

仿生學設計上可以模仿類似於肌腱和肌肉中所見的管狀分層管，這些管子是透過將較小的管子巢狀在層次結構較高級別的已建立的管子中而建立的。引入層次結構後，能量吸收能力顯著提高，高階層次部分實現了更大的增強。

/管狀結構的應用

根據3D科學谷的市場研究，管狀結構在熱交換器、人工血管、核能、泵、閥體等領域得到了廣泛的應用，而結合3D列印，這一應用正在突破原來的瓶頸，顛覆原有的設計。

在熱交換器領域，傳統的熱交換器包括大量的流體通道，每個流體通道都是使用板，條，箔，鰭，歧管等的某種組合形成的。這些部件中的每一個都必須單獨定位，定向並連線到支撐結構，例如，透過釺焊，焊接或其他連線方法。這種熱交換器的組裝相關的製造時間和成本非常高，並且由於形成的接頭數量，流體通道之間或從熱交換器洩漏的可能性通常增加。而這種製造極限也限制了熱交換流體通道及其中包括的熱交換特徵的數量、尺寸和構造。

根據3D科學谷的市場研究，GE開發了一款熱交換器包括在管入口和管出口之間延伸的多個管，進氣歧管包括：內壁和外壁，以及一個或多個擋板，擋板在內壁和外壁之間延伸，以將進氣室分成多個流體通道，這些入口歧管和與入口歧管相同的出口歧管透過3D列印-增材製造的方式被製造為單個結構一體化部件。

在核能方面，為了解決成本問題，橡樹嶺的研究人員正在改進他們的 3D 列印氣體管道到反應堆堆芯的設計，使用計劃中開發的 3D 列印方法，可以使用碳化矽進行列印，碳化矽是一種耐火材料，具有高溫和抗輻射性。

3D 列印使的開發人員能夠使用一些高效能材料實現高度複雜的設計，例如用於冷卻通道的設計，這在以前是不可能的。還可以使用新的材料，例如，使用碳化矽等材料，這樣可以顯著提高核反應堆的效能和安全性。關注3D列印多材料、多尺度和多功能仿生多孔結構，下一期，將進一步分享來自大自然的靈感：仿生多孔結構的蜂窩結構。

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