《Composite Structures》：In-foam additive manufacturing: Elastomeric cellular composites with tunable mechanics
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通过定制3D打印机在随机泡沫中注入热固性支撑结构，形成确定性内部几何，显著提升材料机械性能，尤其是能量吸收效率达传统泡沫近十倍。实验分析支撑结构间距、直径、倾角等参数对复合泡沫力学行为的影响，揭示多机制协同承载机理。
Bruhuadithya Balaji|Frank Gardea|Eric Wetzel|Mohammad Naraghi
德克萨斯A&M大学航空航天工程系，美国德克萨斯州大学城77843
摘要
蜂窝材料被广泛用于各种应用中的冲击缓解，例如头盔。它们主要分为两大类：泡沫和（微）晶格，分别具有随机和确定性的内部几何结构。在这里，我们首次证明了通过使用定制的3D打印机注入具有确定性几何形状的热固性支柱来系统地修改随机泡沫的内部结构，可以显著提高材料的性能，尤其是在机械能量吸收和耗散方面。我们将这种方法称为“泡沫内增材制造”（In-Foam Additive Manufacturing，简称IFAM）。通过对含有嵌入支柱的泡沫进行实验研究，揭示了支柱与泡沫相互作用所产生的独特变形机制。所得复合结构的设计参数包括支柱间距、直径和倾斜角度。这些参数通过压缩力学测试进行了评估，并与传统的先进泡沫进行了比较。结果显示，其性能可调，能量吸收效率提高了近一个数量级。我们的研究表明，这种显著改进部分归因于这些蜂窝复合材料中的协同载荷承载机制，使得泡沫的力学性能提高了近10倍。
引言
蜂窝材料由相互连接的固体网络组成，具有高孔隙率，在自然界和人造结构中普遍存在。许多生物系统，如骨骼，本质上是蜂窝结构，其中孔隙形态对承载能力有重要影响[1]，[2]。在航空航天、汽车、建筑、包装和国防等各个行业中，对轻质材料的需求用于机械能量吸收、声音阻尼和热绝缘，这些需求通过使用蜂窝结构得到了满足[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。根据其几何形状，蜂窝材料通常分为两类：具有随机或无序内部结构的泡沫，以及具有明确3D结构的（微）晶格[10]，[11]。每种材料类型都有其自身的局限性。
泡沫可以由金属、陶瓷和聚合物制成[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。聚合物泡沫被广泛应用于从座椅垫和隔音材料到汽车保险杠以及防护头盔等冲击吸收器[18]，[19]。以头盔应用为例，聚合物泡沫吸收器可分为一次性使用和可重复使用的类型。一次性使用的泡沫（如发泡聚苯乙烯）价格便宜且效率高，但由于它们通过不可逆的机制（如塑料壁变形）吸收能量，因此必须在一次冲击后更换。而在可能发生多次冲击或更换泡沫不切实际的应用中，则需要可重复使用的泡沫[20]。这些可重复使用的泡沫应用包括军用头盔以及橄榄球、曲棍球和长曲棍球等运动。可重复使用的泡沫应用需要可恢复的能量吸收机制，例如细胞壁的弹性弯曲和屈曲，以及封闭空气通道内的气动效应。典型的可重复使用泡沫包括聚氨酯和乙烯基腈。尽管这些泡沫可以提供高效的冲击性能，但它们的材料种类、孔径大小和壁厚都有限[10]。许多这些限制是大规模生产过程的副产品，这些过程阻碍了精细调整或性能梯度的实现[21]。
与泡沫相比，晶格（和微晶格）结构由三维空间中的周期性或准周期性单元格组成，通过支柱和节点以连续或重复的方式相互连接[22]，[23]。具有准周期性单元格的晶格也被称为随机晶格结构[24]，[25]。随着各种增材制造方法的出现，已经制造出了许多晶格结构，并对其承载性能进行了研究[26]，[27]，[28]。例如Kagome晶格结构[29]、八面体桁架[30]和金字塔结构[31]。Kim等人[32]对chi-spring结构进行了压缩测试，并将其能量吸收能力与某些随机泡沫模型进行了比较。结果表明，具有周期性几何形状的结构在屈服后的承载能力方面优于泡沫，并且在较低应力值下提供了高能量吸收。另一个例子是Clough等人的工作，他们通过光刻技术制造的晶格结构实现了可控的屈服后软化，随着撞击物体与结构之间的接触面积逐渐增加，应力趋于恒定[21]。然而，增材制造（AM）方法本质上远不如发泡方法可扩展。例如，熔融长丝制造（FFF）的弹性桁架的生产速率仅为10-3 m3 / h，而随机泡沫的生产速率超过10 m3 / h，且打印硬度低于85 A的弹性体存在挑战[33]，[34]。其他方法，如立体光刻，也需要逐层构建晶格结构，并受到每层固化时间的要求限制[35]。
因此，在蜂窝结构的制造可扩展性和其性能精细调整能力之间存在权衡。一方面，我们有使用高度可扩展的发泡方法生产的随机蜂窝结构（即泡沫），但调整其机械性能的机会有限。另一方面，虽然通过增材制造等方法制造的蜂窝结构具有出色的性能精细调整能力，但其可扩展性远低于发泡方法[36]，[37]。此外，无论是泡沫还是单独的增材制造弹性体，都尚未达到满足最严格冲击应用要求的足够高的能量吸收效率[38]，[39]，[40]。
为了解决这一权衡，我们在这里证明了通过确定性和增材方式修改泡沫的结构，可以大大拓宽和增强其可实现的机械性能范围。我们将这一过程简称为“泡沫内增材制造”（IFAM），见图1。A & B。在IFAM中，多孔介质（例如泡沫）作为载体。一个装有预混弹性树脂的注射器连接到注射针头，并安装在一个经过改造的3D打印机上，该打印机作为计算机控制的龙门架。系统被编程为使注射针头在所需的位置、方向和深度穿透泡沫，并将树脂注入泡沫中。树脂填充针头创建的空腔并在原地固化，形成与泡沫紧密结合的支撑支柱。泡沫和弹性支柱共同作用，形成一种弹性蜂窝复合结构，可以作为多次冲击事件的保护装置。IFAM的参数空间非常广泛且高度可控，可以通过机器人龙门架针对任何给定的泡沫和大多数可固化的弹性体进行控制，为控制所得增强泡沫结构的性能提供了巨大机会。我们的研究重点在于识别泡沫和弹性支柱之间的协同载荷承载作用、增强泡沫的变形模式（与晶格的图案、方向和间距有关），以及泡沫限制体积内支柱的弹性不稳定性（例如屈曲）的发生。这项工作揭示了这些设计参数对这些弹性蜂窝复合材料的机械性能和可调性的影响和重要性。
材料片段
材料
使用了两种不同类型的开孔（舒适型）聚氨酯泡沫，厚度为26毫米（标称厚度为1英寸）。这些泡沫来自McMaster-Carr公司，可以通过它们的绿色和黄色区分开来。绿色泡沫的抗拉强度为137.89千帕，在5.51千帕的正压应力下压缩至25%的应变。黄色泡沫的抗拉强度为48.26千帕，需要1.37千帕的压力才能压缩至25%的应变。泡沫片被切割成
结果与讨论
通过“泡沫内增材制造”（IFAM）方法，使用商业来源获得的弹性泡沫被弹性支柱增强。材料在材料与方法部分中有详细描述。为了制造这种复合蜂窝结构，我们将原本用于熔融沉积建模的商业3D打印机（Flashforge?）改造成了“泡沫内增材打印机”（见图1C和图S1 B & C），方法是将长丝挤出机替换为定制的注射泵以实现精确控制
结论
在这项研究中，我们展示了“泡沫内增材制造”（IFAM）在大幅扩展和改善商业泡沫的可实现机械性能方面的巨大潜力。实验研究表明，支柱的几何形状（间距、直径和倾斜角度）对弹性蜂窝复合材料的整体机械行为有显著影响。
CRediT作者贡献声明
Bruhuadithya Balaji：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据管理。Frank Gardea：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，形式分析，概念化。Eric Wetzel：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。Mohammad Naraghi：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，项目行政，方法论，资金
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
M.N.和B.B.感谢与美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的合作，依据合作协议W911NF-19-2-0264；B.B.还感谢陆军教育推广计划（合同W9115R-15-2-0001）提供的资金支持。本文中的观点和结论仅代表作者本人，并不代表陆军研究实验室或美国的官方政策，无论是明示的还是暗示的。
