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该手性切缝结构由螺旋形排列的单元细胞构成，能够在机械载荷下进行多维度和多尺度的形状变化。该研究探讨了材料力学性质和微观结构拓扑结构对 3D 打印螺旋手性结构柔性、韧性和承载能力的影响。 文章研究了两种不同切缝图案（正方形和六边形）以及三种螺旋密度的螺旋结构。所使用的材料包括PLA、柔顺的TPU以及可编程复合材料（由交替排列的 PLA 和 TPU 制成的韧性复合材料）。 当受到机械载荷时，螺旋切缝结构会经历两种变形机制：单元重配置（例如单元解卷、单元旋转和单元堆积）和材料的非线性非弹性响应。脆性材料限制了单元重配置，导致手性结构柔韧性和韧性降低；柔顺材料虽然可以实现单元完全重配置，但承载能力较低。而使用 PLA:TPU 复合材料可以实现单元重配置和材料的非弹性响应，从而提高柔韧性和韧性，同时保持相对较高的承载能力。该研究证明，通过使用多种材料或螺旋密度可以控制手性结构中的应力分布，从而延迟失效并提高结构的韧性和承载能力。 
随着计算机辅助设计和计算机图形学的进步，自由形态结构的设计越来越自由，它们不仅具有美观性，还具备功能性。例如，穹顶结构比平板具有更高的刚度和承载能力。自由形态结构还可以根据外部刺激进行形状重构，进一步增强其功能性。这类结构在建筑、航空航天、土木工程、机械工程、生物医学工程等领域具有广泛的应用前景。目前，自由形态结构的生成方法主要包括折纸、剪纸、晶格和切缝结构等。切缝结构作为一种减材制造工艺，通过从平面结构中去除材料来形成复杂的3D形状。切缝结构具有多维度和多尺度的灵活性，可以实现平面内外的形状重构，从而在自适应结构中具有潜在的应用价值。然而，现有的研究主要集中在寻找合适的几何模式来调节结构的性能，例如提高灵活性和能量耗散。材料在切缝结构中的作用以及其微观结构拓扑对结构性能的影响尚未得到充分研究。 近日，《Composites Part B》发表了一篇由美国德克萨斯A&M大学和加利福尼亚艺术学院的研究团队完成的有关3D打印手性切缝复合结构：灵活性、韧性和承载能力的提升的研究成果。该文章研究了材料力学行为和微观结构拓扑如何共同控制 3D 打印手性切缝结构的柔韧性、韧性和承载能力，为可重构自由形态结构的设计和应用提供了新的见解。论文标题为“Flexibility, toughness, and load bearing of 3D-printed chiral kerf composite structures”。 该文章比较了两种切缝图案：正方形互锁阿基米德螺旋和六边形螺旋，并考察了三种不同的螺旋密度（低密度、中密度和高密度）。研究发现，正方形切缝单元比六边形切缝单元更硬，因为正方形切缝单元的杆段在相同螺旋密度下具有更小的细长比。文章还定义了几何迂曲度，用于衡量切缝单元中梁段的长度与负载传递最短路径长度之比，并发现迂曲度越高，切缝单元的柔韧性越高，负载传递路径越长。 图 1 正方形阿基米德螺旋（上）和六边形螺旋（下）切缝图案。 该研究通过比较 PLA（Polylactic Acid）、TPU（thermoplastic polyurethane) 和 50PLA:50TPU 复合材料制成的切缝单元的弯曲柔度参数，发现 TPU 单元由于弹性模量较低，表现出更高的柔度。这表明，材料的弹性模量会影响切缝单元的变形行为，弹性模量较低的材质更容易发生变形。 图 2 不同螺旋密度的 PLA、TPU 和 PLA:TPU 复合材料的切缝单元（从上到下：低密度、中密度和高密度）。 通过单向拉伸实验，研究了不同材料 (PLA, TPU, 50PLA:50TPU 复合材料) 和不同切缝图案 (正方形和六边形) 的切缝单元的力学性能。实验结果表明，脆性 PLA 限制了单元的解卷，导致低韧性和低伸长率；柔性的 TPU 单元能够完全解卷，但承载能力低；而可编程复合材料则能够实现单元解卷和材料的非弹性变形，从而提高韧性和承载能力。 图3 不同材料中密度切割的正方形和六边形切缝单元的微观结构变化（PLA：顶部，TPU：中部，50PLA:50TPU：底部）。 该研究通过有限元分析模拟了切缝单元在单向拉伸下的力学行为。模拟结果与实验数据吻合良好，表明梁单元模型能够有效描述不同切缝图案和材料行为的切缝单元的力学响应。模拟结果还揭示了切缝单元变形机制，包括单元解卷、材料断裂和材料非弹性变形等。 图 4 不同切割密度的正方形 PLA 切缝单元的变形形状。 切缝单元在拉伸载荷下的变形机制的结果表明，脆性 PLA 和柔性 TPU 的切缝单元变形主要受几何参数 (切缝图案和切缝密度) 控制。脆性 PLA 限制了单元的解卷，尤其是在那些线圈密度较低的单元中，导致韧性较低；柔性 TPU 则能够完全解卷，但由于TPU的柔顺性导致承载能力和韧性较低。可编程复合材料的切缝单元则同时受到几何参数和材料非弹性变形的影响，表现出更复杂的变形机制。 通过有限元分析研究了平面切缝结构在单向拉伸载荷下的变形机制和力学性能。研究发现，切缝结构的刚度、韧性和承载能力受切缝图案、切缝密度和材料类型的影响。通过改变切缝密度和材料分布，可以有效地调节切缝结构的整体力学响应和局部应力分布，从而提高其承载能力和韧性。 图 5 不同切缝图案的切缝结构设计（正方形和六边形）。对于不同材料的区域，绿色表示 TPU，黄色表示可编程聚合物。 关于平面切缝结构在弯曲载荷下的变形机制和力学性能的研究发现，切缝结构的弯曲刚度、韧性和承载能力受切缝图案、切缝密度和材料类型的影响。六边形切缝结构在弯曲载荷下表现出更高的柔性和韧性，而正方形切缝结构则表现出更高的弯曲刚度。通过改变切缝密度和材料分布，可以有效地调节切缝结构的弯曲性能，并提高其承载能力和韧性。 图 6 切缝结构的不同设计。 脆性和柔性切缝结构的变形主要受单元解卷控制，而可编程复合材料切缝结构则表现出更复杂的变形机制，包括单元解卷、材料非弹性变形和单元旋转。切缝结构的局部应力可以通过改变切缝密度或材料分布来重新分配，从而提高其承载能力和韧性。 图 7 单轴拉伸下正方形和六边形可编程切缝结构的单元展开。 该研究深入分析了材料和微观结构拓扑对3D打印手性切缝复合结构性能的影响，揭示了细胞重构和材料非弹性响应在提高结构灵活性和韧性方面的作用。研究结果表明，可编程复合材料在手性切缝结构中具有巨大的应用潜力，通过控制切缝拓扑和材料分布，可以设计出具有优异性能的自由形态结构。 Darnal, A., Mantri, K., Betts, W., Kalantar, N., Kim, J., & Muliana, A. (2024). Flexibility, toughness, and load bearing of 3D-printed chiral kerf composite structures. Composites Part B, 284, 111685.https:///10.1016/j.compositesb.2024.111685
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