[论文解读] 3D printable multimaterial cellular auxetics with tunable stiffness

Krishna Kumar Saxena, Raj Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Cellular and Composite StructuresEngineering参考文献 11被引用 22

一句话总结

本文提出一种可通过控制单元胞内材料分布实现可调刚度的3D可打印多材料多孔辅助结构。通过有限元分析，作者证明了通过多材料设计引入刚度梯度，可精确调控机械性能，适用于定制化冲击防护装置。

ABSTRACT

Auxetic materials are a novel class of mechanical metamaterials which exhibit an interesting property of negative Poisson ratio by virtue of their architecture rather than composition. It has been well established that a wide range of negative Poisson ratio can be obtained by varying the geometry and architecture of the cellular materials. However, the limited range of stiffness values obtained from a given geometry restricts their applications. Research trials have revealed that multi-material cellular designs have the capability to generate range of stiffness values as per the requirement of application. With the advancements in 3D printing, multi-material cellular designs can be realized in practice. In this work, multi-material cellular designs are investigated using finite element method. It was observed that introduction of material gradient/distribution in the cell provides a means to tune cellular stiffness as per the specific requirement. These results will aid in the design of wearable auxetic impact protection devices which rely on stiffness gradients and variable auxeticity.

研究动机与目标

• 开发一种具有可调机械刚度的3D可打印多孔辅助结构。
• 通过多材料设计克服传统辅助材料刚度范围有限的问题。
• 在可穿戴冲击防护装置中实现特定应用的机械性能。
• 利用有限元建模研究材料分布对刚度和辅助行为的影响。
• 展示使用增材制造技术制造此类结构的可行性。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）模拟多材料多孔辅助单元胞的机械响应。
• 通过改变高模量和低模量材料的体积分数，在单元胞内引入材料梯度。
• 通过反向或反向类似多孔结构设计，使几何形状表现出负泊松比（辅助行为）。
• 仿真评估不同材料分布配置下的刚度和泊松比。
• 针对3D可打印性进行设计优化，确保使用多材料增材制造技术可制造。
• 开展参数化研究，关联材料分布与机械输出结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单材料对应物相比，多材料多孔辅助结构是否能实现更宽范围的刚度值？
• RQ2 高模量和低模量材料的空间分布如何影响多孔结构的有效刚度？
• RQ3 在调节刚度的同时，辅助行为（负泊松比）能在多大程度上保持？
• RQ4 3D打印能否实现具有受控机械梯度的所提出的多材料多孔辅助结构设计？
• RQ5 材料梯度与辅助多孔结构中所得机械性能之间存在何种关系？

主要发现

• 在多孔单元胞内引入材料梯度，可有效调节宽范围内的刚度值。
• 有限元仿真证实，通过调整高模量和低模量材料的分布，可精确控制刚度。
• 辅助行为（以负泊松比为特征）在各种材料分布配置下均得以保持。
• 所提出的结构设计适合3D打印，可实现复杂的功能梯度多孔结构的制造。
• 研究表明，与单材料对应物相比，多材料多孔辅助结构具有更优越的机械可调性。
• 结果支持开发具有特定应用刚度和能量吸收特性的可穿戴冲击防护装置。