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韓國研究人員發(fā)現，3D節(jié)點纏繞方法支持向由幾何形狀、連續(xù)性及自動化制造所定義的集成結構過渡。
首爾大學機械工程系的安成勛教授和崔俊英博士站在本研究開發(fā)的300克復合梁上，該梁可承受約150公斤的總讀檔（左）。右側是研究團隊開發(fā)的結構原型（無人機、機械臂）
首爾大學（韓國）研究人員開發(fā)了一種新型超輕結構材料，該材料兼具工程材料的承重強度和泡沫的重量。利用3D節(jié)點纏繞法，該團隊制造出中尺度碳纖維晶格，其強度重量比達到鋁的水平，而重量僅為鋁的1/100。
這些發(fā)現，發(fā)表于《自然·通訊》，消除了結構設計中的一個關鍵瓶頸：即需要將離散部件組裝成復雜的三維形態(tài)。相反，結構被創(chuàng)建為連續(xù)系統，從而能夠同時實現幾何復雜性和機械完整性。
碳纖維復合材料通常通過堆疊薄層或組裝多個部件制造而成。這些工藝限制了設計自由度，并在層與層或部件與部件的接合處引入了薄弱界面。即使是更新的工藝，如3D打印復合材料，也依賴于逐層制造，形成了破壞載荷傳遞的內部邊界，迫使人們在結構復雜性和機械可靠性之間做出權衡。
為了克服這些局限，韓國研究團隊將一根連續(xù)的碳纖維直接置于三維空間中，這是一個“將它們完美統一在一起”的整合概念。該過程始于一個定義節(jié)點幾何形狀的臨時支架。隨后，一根長碳纖維纏繞在這些節(jié)點上，形成一個空間晶格網絡。一旦幾何形狀確定，結構通過樹脂浸漬進行固化，形成堅固的復合材料。由于纖維在整個結構中保持連續(xù)，力得以不間斷地傳遞，避免了通常與接頭和界面相關的應力集中和失效點。
由此形成的結構展現出約10-30兆帕的抗壓強度，與混凝土等建筑級材料的抗壓性能相當。盡管這仍低于高等級金屬的絕對強度，但該結構在按重量歸一化后實現了高性能，以顯著減輕的質量達到了鋁級效率。
所開發(fā)的三維碳纖維復合材料晶格結構的強度-密度性能比較
在同等重量下，這種晶格結構的強度可比傳統晶格結構高出10倍。這種提升源于連續(xù)的力傳遞路徑，它能實現更高效的力分布，并減少結構內部的無效材料。
研究啟示
材料性能之外，這項工作還重新定義了承重系統的設計與制造方式。值得注意的是，這種方法與機器人驅動的工具路徑制造系統天然契合，復雜的纖維軌跡可以直接從數字設計中生成并執(zhí)行。隨著這些系統的不斷發(fā)展，預計它們將實現結構化復合材料的大規(guī)模生產，而這些材料如果靠手工制造將是不切實際的。
“連續(xù)纖維結構的復雜空間特性限制了其在傳統制造中的可擴展性，”崔俊英（JunYoungChoi）博士和安承勛（Sung-HoonAhn）教授表示。“隨著機器人和人工智能驅動制造技術的進步，這些結構現在可以實現規(guī)模化生產，而這項工作為它們的實際應用提供了路線圖。”
其影響延伸至多個重量和效率至關重要的行業(yè)。在航空航天和移動系統領域，減輕結構重量能提升航程、載荷能力和能源效率。在機器人領域，輕質且剛度高的結構可實現更快的驅動響應和更高的精度。在建筑領域，該方法為材料高效的承重框架開辟了道路，在保持結構完整性的同時減少材料用量。
原文《Mesoscalecarbonfiberlatticedevelopmentattainsaluminum-levelperformanceat1/100theweight》
楊超凡