全文4000字，阅读需7分钟。本文分享负泊松比的创新膨胀管结构的3D打印、模拟、测试学术研究。
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AM易道导语：
在高铁安全领域，一项由3D打印引领的创新正在悄然兴起。
一种3D打印新型能量吸收装置，不畏惧内部膨胀，反而能在承受冲击时主动扩张，更有效地消解巨大的撞击能量。
大连交通大学研究团队最新成果利用3D打印技术，他们成功开发出了一种基于负泊松比（NPR）原理的创新膨胀管结构。
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传统的高铁能量吸收系统，如连接器和防爬器，在碰撞时往往通过变形来吸收冲击。
然而，这种新型NPR膨胀管颠覆了常规认知。
当遭遇撞击力时，它不是被动地压缩变形，而是通过独特的内部结构设计，在径向上主动膨胀。
这种看似违反直觉的行为，实际上大大提高了其吸能效率。
根据研究结果，在某些参数组合下，NPR膨胀管的单位质量能量吸收能力甚至超过了传统设计。
然而，负泊松比材料却展现出截然不同的特性—在拉伸时，它们会在垂直方向上膨胀。在微观层面上，这种结构通常由复杂的单元网格组成，这些单元在受力时会发生特定的变形，从而导致整体结构呈现出负泊松比效应。这种特性使得材料在受到拉伸时，不仅不会变薄，反而会变得更厚。研究团队巧妙地将这一特性与传统膨胀管的变形机制相结合，提出了一种创新的材料重构设计：将NPR结构嵌入到常规膨胀管壁中。这种设计不仅能够提高结构的承载能力，还能实现材料的高效利用。在实际应用中，这意味着同样的材料量可以吸收更多的碰撞能量，从而提高高铁的安全性能。![]()
上图左侧为传统材料在拉伸下的行为，我们可以清楚地看到材料在垂直方向上的收缩。而右侧则展示了NPR材料的独特响应，材料在拉伸的同时，垂直方向上也出现了明显的膨胀。这种设计不仅能够提高结构的承载能力，还能实现材料的高效利用，为高铁等载具安全系统的设计提供了新的思路。实现如此复杂的NPR结构，传统制造方法显然力不从心。这里，3D打印技术，特别是选择性激光熔化（SLM）工艺，成了关键。研究团队采用EOS M290设备，使用AlSi10Mg铝合金粉末，通过精心设计的打印参数，成功制造出了具有复杂内部结构的NPR管道。选择AlSi10Mg铝合金作为打印材料并非偶然。这种材料具有低密度、优异的铸造性能、良好的热导率和耐腐蚀性，非常适合用于制造需要轻量化和高性能的结构件。在高铁安全系统中，轻量化设计至关重要，因为它直接影响到列车的整体性能和能耗。同时，AlSi10Mg的良好机械性能也能确保制造出的NPR管道具有足够的强度和韧性，能够有效吸收碰撞能量。研究团队在3D打印过程中，对打印参数进行了精细调控：激光功率设定为325 W，这个功率水平能够确保铝合金粉末充分熔化，同时又不会造成过度的热影响。
这些参数的精确控制，确保了NPR管道结构的高质量成型。
值得一提的是，研究团队还对打印后的样品进行了热处理，包括固溶处理和人工时效处理。
这些步骤旨在消除残余应力，提高材料的塑性强度，从而进一步优化NPR管道的性能。
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上图展示了实验设置和通过SLM技术制造的NPR管样品。左侧是实验装置，包括压缩芯棒、膨胀锥、样品和固定底座。这套精密的实验设备能够精确模拟实际使用条件下NPR管道的受力状态。右侧则是3D打印出的NPR管，其精细的结构清晰可见。从图中我们可以看到，3D打印技术不仅成功地制造出了复杂的内部结构，还保证了整体形状的精确性。这种高精度的制造能力，是传统制造方法难以企及的。为了验证NPR管道的性能，研究团队进行了一系列实验和数值模拟。他们使用了两种不同尺寸的膨胀锥，分别探究了NPR管在不同条件下的变形行为和能量吸收特性。这种多角度的研究方法，不仅能够全面评估NPR管道的性能，还能为未来的优化设计提供重要依据。![]()
左侧(a)图显示了膨胀力曲线和变形序列，我们可以清楚地看到力曲线的变化趋势，以及对应的管道变形状态。这种力-位移关系的记录，对于理解NPR管道的能量吸收机制至关重要。右侧(b)(c)(d)图则详细展示了管道的最终变形状态。值得注意的是，内壁上出现的明暗条纹，反映了NPR结构在变形过程中的独特应力分布。这种应力分布模式是传统管道所不具备的，它为NPR管道提供了更高效的能量吸收能力。![]()
上图则展示了使用小直径膨胀锥时的结果。相比之下，这种情况下NPR管展现出更稳定的变形过程，没有出现大面积撕裂。这一发现为实际应用中膨胀锥尺寸的选择提供了重要参考。通过比较不同尺寸膨胀锥的实验结果，研究团队能够确定NPR管道的最佳工作条件，为后续的工程应用奠定基础。为了更深入地理解NPR管的变形机理，研究团队进行了详细的有限元分析。他们使用LS-DYNA软件，采用Johnson-Cook本构模型来描述材料行为。这种高级的数值模拟方法，能够精确捕捉NPR结构在复杂载荷下的动态响应。![]()
(a)展示了内外层变形对比，我们可以清楚地看到NPR结构在膨胀过程中的独特变形模式。(b)展示了径向变形曲线，这条曲线精确地描述了管道内外径随时间的变化规律。(c)和(d)则详细分析了NPR单元的变形序列和机理。通过这些模拟结果，研究团队不仅揭示了NPR结构在膨胀过程中的独特变形模式，还为进一步优化设计提供了理论基础。研究团队对NPR管进行了全面的参数优化研究，探讨了膨胀锥尺寸、膨胀角度、管壁厚度以及厚度梯度设计等关键因素对管道性能的影响。这种系统的参数分析为NPR管道的性能优化提供了重要指导。
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首先，研究团队考察了膨胀锥直径和膨胀角度对NPR管性能的影响。
上图全面展示了这些参数变化下NPR管的机械响应。
从膨胀力曲线（图a）可以看出，随着膨胀锥直径的增加，力曲线从平滑过渡到波动状态，特别是在较大膨胀角度下，这种波动更为明显。
例如，当膨胀角度为40°时，峰值荷载到后续低谷的下降幅度可达60%。
能量吸收比例分析（图b）显示，小尺寸膨胀锥条件下，内层（L1）承担了高达99%的能量吸收。
而当膨胀锥尺寸增大到75mm时，第二层（L2）开始发挥更大作用，在40°膨胀角时甚至占到了37%的能量吸收比例。
总能量吸收分析（图c）表明，无论膨胀角度如何，当膨胀锥最大直径为75mm时，NPR管都达到了约10kJ的最大能量吸收。
变形模式分类（图d）进一步揭示，当膨胀锥尺寸超过91mm时，管道主要表现为贯穿性撕裂变形。
而在75mm膨胀锥直径和35°或40°膨胀角的组合下，内表面出现局部撕裂，恰好对应了能量吸收的最优状态。
接下来，研究团队考察了管壁厚度对NPR管性能的影响。下图展示了不同厚度NPR管的膨胀响应。
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从膨胀力曲线（图a）可以看出，随着厚度增加，平台力的增长并非线性关系。当厚度增加到原始厚度的3倍和4倍时，平台力分别增加到了原始平台力的3.85倍和6.29倍。
能量吸收比例分析（图c）显示，当厚度小于1mm时，能量主要由第一层和第二层吸收。随着厚度增加，第三层的能量吸收比例显著提高。
总能量吸收和MCFp（平均单位压溃力）分析（图d）表明，随着厚度增加，能量吸收的增长率持续上升，这与平台力的非线性提升相对应。
最后，研究团队探讨了厚度梯度设计对NPR管性能的影响。
下图综合展示了均匀厚度（U）、梯度增加（GI）和梯度减少（GD）三种设计下NPR管的膨胀响应。
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在均匀厚度设计（图a-c）中，C配置（即三层比例为20%, 20%, 60%）在前两层总比例达到40%时获得了最大平台力104kN。
这表明在均匀厚度设计中，前两层的比例对平台力有显著影响。在厚度梯度增加设计（图d-f）中（即从内层到外层厚度逐渐增加），前两层的总比例与平台力仍呈正相关，但比例变化导致的平台力分布更为显著。值得注意的是，B配置（20%, 35%, 45%）和C配置（20%, 20%, 60%）表现出较高的能量吸收效率。这说明在梯度增加设计中，适当增加外层厚度可以提高能量吸收效率。在厚度梯度减少设计(图g-i)中（即从内层到外层厚度逐渐减少），所有模型都出现了大面积贯穿性撕裂变形，承载能力在达到峰值荷载后显著下降超过60%。这种现象在A配置（60%, 20%, 20%）中略有缓解，荷载下降约47%。这表明虽然梯度减少设计整体表现不佳，但增加内层比例可以在一定程度上改善其性能。这些结果揭示了NPR管道结构设计中层厚分配的重要性，为未来的优化设计提供了重要参考。AM易道认为，这种系统的参数研究不仅深化了我们对NPR结构在复杂载荷下行为的理解，还为实际工程应用提供了宝贵的设计指南。
通过合理控制膨胀锥的几何参数、管壁厚度以及厚度梯度，我们可以实现NPR管道性能的精确调控，从而在不同应用场景下发挥其最大潜力。
例如，采用适当的梯度增加设计，可以在保持轻量化的同时，获得更高的能量吸收效率。
这种"量身定制"的设计方法，正是3D打印技术带来的巨大优势之一。
通过3D打印，我们可以轻松实现复杂的内部结构和精确的厚度控制，这在传统制造方法中是难以实现的。
写在最后：负泊松比结构的广阔应用前景
这项研究不仅展示了3D打印技术在复杂结构制造中的巨大潜力，也为高铁安全领域的技术创新指明了方向。在航空航天、运动防护装备、建筑工程、医疗器械领域，负泊松比结构可以用于设计更轻量、更坚固、更能分散和吸收冲击能量的结构部件。
甚至可以通过多材料3D打印结合隔音结构提高产品声学性能或者叠加软材料符合更多的用户舒适度需求。AM易道认为，随着3D打印技术的进一步发展和对NPR结构认识的深入，我们有理由期待这种创新结构在更多领域得到应用。![]()
（正文内容结束）
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美国藤校达特茅斯学院塔克商学院教授，被《伦敦时报》评为“塔克商学院的代表性教授”，为《财富》500强公司及其他世界顶顶尖企业的首席执行官提供咨询服务。获奖无数，2022年获得Thinkers50的最高奖项-“全球最具影响力的50大管理思想家”终身成就奖。全球十大战略思想家之一。《泰晤士报》誉其为“全球最杰出管理思想家之一”，《商业周刊》评他为“最有可能影响未来策略思维的学者”，管理大师亚德里安·斯莱沃斯基称他是“企业策略界的基辛格”。一场超级制造革命正以闪电般的速度向我们袭来，传统制造业即将升级为超级制造；3D打印将会产生巨大的推动力，改变全球制造业格局。当设计、制造、购买、交付的方式发生巨变，企业如何在新兴商业生态中占有一席之地？中国制造业又该何去何从？戴维尼在书中介绍了3D打印的“超级制造时代”行动路线图；揭秘惠普、捷普、福特、西门子等《财富》500强商业巨头，如何暗中发展这项技术，并朝着泛工业组织不断成长，改变全球秩序的现在与未来。大规模生产的3D打印已经悄然崛起，并将对世界经济产生深远影响。
