Mechanical Performance of 3D Printed Interpenetrating Phase Composites with Spinodal Topologies
对具有随机调幅拓扑结构的互穿相复合材料的力学响应进行了实验和数值研究。模型聚合物系统由Polyjet多材料打印制造，增强相采用旋节壳的拓扑结构，剩余体积由较软的基质填充。我们发现，spinodal壳IPC具有相当的压缩强度和刚度IPC与两个完善的周期性增强，施瓦茨P三重周期性最小表面（TPMS）和八重桁架晶格，同时表现出远低于灾难性的故障和更大的抗损伤性，特别是在高体积分数的增强相。高刚度和强度以及屈服后长的平坦平台的组合使得旋节壳IPC成为能量吸收和冲击保护应用的有希望的候选者，其中在大压缩应变下缺乏材料软化可以防止突然倒塌。重要的是，与具有周期性增强的所有IPC相比，旋节壳IPC易于通过自组装技术进行可规模化制造。
2021-02-13 physics.app-ph
Mechanical Properties of Diamond Schwarzites: From Molecular Dynamics Simulations to 3D Printing
黑云母是具有高斯负曲率的多孔晶体结构。在本工作中，我们研究了两种碳基金刚石施瓦茨矿（D 688和D8 bal）的力学行为和能量吸收特性。我们进行了完全原子分子动力学（MD）模拟。优化的MD原子模型用于通过熔融沉积建模（FDM）生成3D打印（聚乳酸（PLA）聚合物长丝）的宏观尺度模型。研究了原子模型和3D打印模型在单轴压缩下的力学性能。对3D打印的施瓦茨矿进行了机械测试，发现变形机制与MD模拟中观察到的相似。这些结果暗示了由结构拓扑支配的尺度无关的力学行为。该结构表现出高的比能量吸收和破碎力效率~0.8，这表明3D打印的金刚石施瓦济岩是能量吸收材料的良好候选者。
2020-04-16 physics.app-ph
Multiscale Mechanical Response of 3D-Printed Diamondiynes: From Movable Interlocked Lattices to Architected Metamaterials
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；University of Brasília（巴西利亚大学）；Cotton University（科顿大学）；State University of Campinas（坎皮纳斯州立大学）
研究通过多尺度分析揭示金刚ynes衍生结构的机械性能，发现对称双子晶格结构在强度和能量吸收方面表现最优，具有潜在的轻质能量吸收应用价值。
2026-01-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The Essential Work of Fracture Parameters for 3D printed polymer sheets
增材制造在学术界和工业界越来越受欢迎。因此，人们对表征3D打印样品以确定其结构完整性行为的兴趣越来越大。我们采用基本断裂功（EWF）来研究通过增材制造获得的聚合物片材的机械响应。我们的目标是双重的;首先，我们旨在深入了解纤维增强对增材制造聚合物片材的抗断裂性的作用。深度双边缺口拉伸（DDEN-T）测试是在四种不同的聚合物上进行的：Onyx，一种结晶的尼龙增强聚合物，以及三种用于增材制造的标准聚合物- PLA，PP和ABS。结果表明，纤维增强转化为抗断裂性的显著增加，Onyx的断裂能比非增强聚合物报告的断裂能高一个数量级。另一方面，我们建议使用一个微型的测试样本，深双边缺口小冲试样（DDEN-SP），使用有限数量的材料来表征的机械响应。获得的结果与DDEN-T数据表现出良好的一致性，表明DDEN-SP测试适用于以具有成本效益的方式测量增材制造聚合物的断裂性能。
2019-06-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Programmed Internal Reconfigurations in a 3D-Printed Auxetic Metamaterial Enable Fluidic Control for a Vertically Stacked Valve Array
Department of Biology, College of Arts and Sciences, University of North Carolina at Greensboro（北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校文理学院生物系）；The Early College at Guilford（吉福德早期学院）
本研究将机械超材料集成到三维打印微流控系统中，通过编程内部重构实现垂直堆叠阀阵列的"一次一个"流体控制，并提出可扩展至任意几何形状的设计算法，为生物医学应用开辟新途径。
2023-12-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Erasing and Correction of Liquid Metal Printed Electronics Made of Gallium Alloy Ink from the Substrate
最近发现镓基液态金属在各种新兴应用中非常重要，例如室温金属3D打印，电子和生物医学的直接写入等。在所有这些实践中，人们经常遇到需要校正印刷电路或轨道或应根据需要移除设备的不需要部分的情况。然而，目前几乎没有适当的策略来解决现阶段如此重要的问题。在这里，我们已经确定了几个低成本的方法，实现这一目标，通过比较研究三个典型的策略，从机械，化学，电化学原理，为消除镓基液体金属电路或薄膜。关于机械方法，我们构造了一种用于去除液态金属薄膜的擦除器。结果表明，乙醇（CH_3CH_2OH）是一种很好的机械橡皮的候选材料。在化学类别中，我们采用了碱和酸来去除精细印刷的液体金属电路，特别是氢氧化钠（NaOH）溶液在制造化学橡皮擦方面相当有效。在电化学策略中，我们向液态金属薄膜（覆盖有水）施加15 V电压，并成功地去除了目标金属部分。对这些方法进行了比较评价，并初步阐明了各自的优缺点。本文的工作对液态金属增材制造的应用具有重要意义。
2017-06-05 physics.app-ph
Deep learning for size-agnostic inverse design of random-network 3D printed mechanical metamaterials
Delft University of Technology (TU Delft)（代尔夫特理工大学）；Leiden University Medical Center (LUMC)（莱顿大学医学中心）
机械超材料的实际应用通常涉及解决逆问题，其目标是找到产生给定属性集的（多个）微架构。增材制造技术的有限分辨率通常需要解决特定尺寸的此类逆问题。因此，人们应该找到多个微结构设计，表现出所需的性能与给定的尺寸的标本。此外，候选微架构应该耐疲劳和断裂，这意味着峰值应力也应该最小化。这样的多目标逆设计问题是非常难以解决的，但它的解决方案是机械超材料在现实世界中应用的关键。在这里，我们提出了一种名为“Deep-DRAM”的模块化方法，它结合了四个解耦模型，包括两个深度学习模型（DLM），一个基于条件变分自编码器（CVAE）的深度生成模型（DGM）和直接有限元（FE）模拟。Deep-DRAM（用于随机网络超材料设计的深度学习）将这些模型集成到一个统一的框架中，能够为这里提出的多目标逆设计问题找到许多解决方案。集成框架首先将所需的弹性属性引入DGM，DGM返回一组候选设计。然后将候选设计与目标样本尺寸一起传递到DLM，DLM根据样本尺寸预测其实际弹性特性。在基于实际属性与期望属性的接近度的过滤步骤之后，最后一步使用直接FE模拟来识别具有最小峰值应力的设计。
2022-12-22 cs.LG physics.app-ph
A highly sensitive, self-adhesive, biocompatible DLP 3D printed organohydrogel for flexible sensors and wearable devices
本研究通过DLP 3D打印制备高灵敏度、自粘附、生物相容的有机水凝胶，用于柔性传感器和可穿戴设备，实现颈椎监测与运动康复。
2025-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics
柔性电子产品的兴起需要具有良好机械和电化学性能的成本效益和可扩展电池。在这项工作中，我们开发了可印刷的聚合物基AgO-Zn电池，具有灵活性，可充电性，高面积容量和低阻抗。使用弹性体基底和粘合剂，集电器、电极和隔板可以容易地逐层丝网印刷并以堆叠配置真空密封。电池的尺寸和容量可定制，主要应用的最高面积容量为54 mAh/cm 2。采用先进的micro-CT和EIS对电池进行了表征，并通过反复扭转和弯曲测试了电池的机械稳定性。这些电池用于为柔性电子墨水显示系统供电，该系统需要高电流消耗，并且表现出比商业纽扣电池更优越的性能。所开发的电池为各种电子产品提供了实用的解决方案，并对未来开发实用和高性能的柔性电池具有重要意义。
2020-09-01 physics.app-ph physics.chem-ph
Only skin deep? Depth-resolved photo-oxidation of 3D printed polymers PLA, ABS, PETG, HIPS and PC after 322 days of continuous UV exposure
Palacký University in Olomouc（帕拉茨基大学）；Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所）
本研究通过超过10个月的紫外辐射实验，结合纳米压痕和振动光谱，评估了3D打印聚合物（PLA、ABS、PC、PETG、HIPS）的机械和结构变化，发现PLA和PC抗紫外性能最佳，而ABS和HIPS脆化明显。
2026-10-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Shape-shifting panel from 3d-printed undulated ribbon lattice
提出一种由单一材料波纹带构成、具有拉伸-弯曲耦合效应的3D打印晶格微结构，并通过仿真、均匀化理论和实验验证其可作为可变形面板构建单元。
2020-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
3D printed acoustically programmable soft microactuators
创建全机械软微机器人系统的概念具有巨大的潜力，可以解决生物医学应用中的突出挑战，并推出更多可持续和多功能的产品。为此目的，磁场和光作为潜在的能源已被广泛研究。另一方面，尽管在自然界和工程解决方案中大量使用声学，但材料对压力波的响应耦合一直被忽视。在这里，我们表明，程序化的命令可以包含在3D纳米打印聚合物系统中，并引入选择性激发的气泡和合理设计的顺应机制。微机械系统的剧目工程使用实验验证的计算模型，考虑的初级和次级压力场对截留的气泡和周围的流体的影响。耦合气泡振荡器的动力学揭示了丰富的声流相互作用，可以在空间和时间编程。我们通过利用这些相互作用产生的力来使结构元件变形，从而规定运动学，这些结构元件可以根据需要通过机械开关进行远程重新配置。这些基本的微机械系统将作为一种新型的无绳软微机器人的动力和控制的声学信号的发展的基石。
2022-05-25 physics.app-ph physics.flu-dyn
Production Method of Millimeter-Wave Absorber with 3D-Printed Mold
我们通过使用3D打印模具建立了良好的毫米波吸收体的生产方法。模具具有周期性的金字塔形状，并且吸收材料填充到模具中。这种形状减少了表面反射。3D打印模具由毫米波范围内的透明材料制成。因此，不需要脱模。这种生产方法的一个显著优点是易于使用各种形状和各种吸收材料进行原型制作。我们制作了一个测试模型，并使用双组分环氧树脂密封剂作为吸收材料。测试模型实现了低反射率：100 GHz时的$\sim 1\%$。对于使用超导探测器的情况，吸收体有时保持在低温条件下。因此，在用于热循环的机械强度、粘合强度和足够的导热性方面，需要低温性能。我们通过将模型浸入液氮浴中来确认测试模型的强度。
2020-01-02 astro-ph.IM physics.app-ph
Microstructure and phase transformation of nickel-titanium shape memory alloy fabricated by directed energy deposition with in-situ heat treatment
增材制造由于其灵活性而被广泛应用于制造镍钛（NiTi）记忆合金的各种结构，以产生具有最小缺陷的复杂结构。然而，组织不均匀性和第二相的形成是阻碍NiTi合金进一步应用的两个主要问题。虽然通常采用后热处理来改善或控制NiTi合金的性能，但它不能实现NiTi合金的热性能和/或机械性能的空间控制。为了克服均匀后热处理的局限性，本研究提出了一种原位热处理策略，该策略被集成到NiTi合金的定向能量沉积中。所提出的方法将可能导致新的制造能力，以实现位置相关的性能或属性操纵。研究了原位热处理对NiTi印刷结构的热性能和力学性能的影响。通过三维有限元模拟和实验表征，对热循环、组织演变和力学性能进行了研究。采用低功率激光束将原位热处理仅定位于当前印刷层，从而依次促进逆包封反应和瞬时高固溶处理。原位热处理后，试样的差示扫描量热曲线上出现明显的相变峰，Ti 2Ni相体积减少约50%~70%，显微硬度降低约35 HV。
2022-02-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Design and testing of 3D-printed micro-architectured polymer materials exhibiting a negative Poisson's ratio
本文结合水平集拓扑优化与渐近均匀化设计负泊松比微结构材料，并经3D打印、拉伸测试和数字图像相关验证了设计流程。
2024-03-01 physics.app-ph
Simulation of corrosion and mechanical degradation of additively manufactured Mg scaffolds in simulated body fluid
建立了一种基于有限元模型的模拟策略，对激光功率床融合制备的可生物降解镁支架在模拟体液中浸泡后的腐蚀和力学性能进行了模拟。腐蚀是通过一个现象学的，基于扩散的模型，可以考虑点蚀模拟。在腐蚀模拟之后，其中Mg的浓度低于一定阈值（代表Mg（OH）2的形成）的元素被删除用于机械模拟，其中Mg被假定为表现为各向同性的、完全弹性塑性的固体，并且通过延性失效模型引入断裂。模型的参数是由先前的实验结果和数值预测的强度和断裂机制的WE43镁合金多孔支架在印刷条件下，浸泡在模拟体液中的数值预测与实验结果吻合得很好。因此，模拟策略能够评估腐蚀对生物可降解支架的力学行为的影响，这对于生物可降解支架的生物医学应用设计至关重要。
2021-10-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Reconfigurable Manipulation of Sound with a Multi-material 3D-Printed Origami Metasurface
本文提出基于Kresling折纸图案和多材料3D打印技术的双稳态可重构超表面，通过施加小轴向力或扭矩实现π反射相位差，在2000 Hz下实现声波的可编程操控，为多领域可切换器件提供新视角。
2024-11-18 physics.app-ph
Anisotropic Thermal Conductivity of 3D Printed Graphene Enhanced Thermoplastic Polyurethanes Structure toward Photothermal Conversion
本研究通过FDM 3D打印制备G-TPU/N-TPU双层结构，实现各向异性热导率与优异光热性能，同时兼具出色力学性能，适用于光热除冰、红外标签及恶劣环境场景。
2024-10-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Toward All 2D-based Printed Raindrop Triboelectric Nanogenerators
本研究提出全二维基雨滴摩擦纳米发电机，采用石墨烯和TMD纳米片，通过液相剥离和液-液界面沉积制备，发现中等尺寸MoS2纳米片输出最高，并揭示氧化差异影响电荷转移。
2025-07-10 physics.app-ph
Mechanical Cloak via Data-Driven Aperiodic Metamaterial Design
机械斗篷是一种材料，可以操纵物体周围的弹性反应，使它们与均匀的环境无法区分。通常，基于材料参数变换的方法用于设计光学、热和电斗篷。然而，它们不适用于设计机械斗篷，因为连续力学方程在一般坐标变换下不是形式不变的。因此，现有的机械斗篷设计方法迄今为止仅限于形状简单的狭窄空隙。为了应对这一挑战，我们提出了一个系统的，数据驱动的设计方法来创建由非周期性超材料组成的机械斗篷，使用一个大型的预先计算的单元格数据库。我们的方法是灵活的，允许设计各种边界条件，多种载荷，不同形状和数量的空隙，以及不同的均匀环境的斗篷。该方法可以同时优化隐身衣的拓扑结构和性能分布。与传统的固定形状解决方案相比，这导致整体更好的隐身性能，并提供无与伦比的多功能性。对3D打印结构的实验测量进一步证实了所提出方法的有效性。我们的研究说明了数据驱动方法在快速响应新的设计方案和解决与功能结构的多尺度设计相关的计算挑战方面的优势。它可以推广到其他需要异质属性分布的应用，如软机器人和植入物设计。
2021-12-07 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Photosensitive PEEK Ink Enables Digital Light Processing 3D Printed High-performance Small Architected-Plastics
针对材料挤出3D打印PEEK分辨率低、表面质量差等问题，提出基于DLP技术的高固含量PEEK墨水加工与一步烧结工艺，实现了高精度复杂结构，并验证了其优异的热学、力学及耐腐蚀性能。
2024-06-26 physics.app-ph
Muscle-inspired flexible mechanical logic architecture for colloidal robotics
University of Michigan（密歇根大学）
通过膨胀或收缩对外部刺激作出响应的材料提供了一种转换路径，该转换路径集成了由刺激直接供电的感测和致动。这促使我们使用这些可以变形为任意配置的材料来构建胶体规模的机器人。为了在机器人系统中智能地使用全局刺激，需要将计算能力纳入其中。挑战在于设计一种紧凑、材料不可知、在随机力下稳定并且可以使用刺激响应材料的建筑。我们提出了一种架构，计算组合逻辑使用机械门，使用肌肉样的响应-膨胀和收缩-作为电路信号与逻辑电路的物理灵活性和能够改造为任意机器人机构的额外好处。我们从数学上分析门的几何形状，并讨论调整它的信号尺寸和幅度的给定要求。我们验证的功能和稳定性的设计在胶体尺度上使用布朗动力学模拟。我们还使用3D打印模型演示了闸门设计。最后，我们模拟一个完整的机器人，折叠成俄罗斯方块的形状。
2020-12-17 cs.RO physics.app-ph
Silica-coated admixtures of bismuth and gadolinium oxides for 3D printed concrete applications: Rheology, hydration, strength, microstructure, and radiation shielding perspective
研究二氧化硅包覆Bi2O3/Gd2O3混合物替代部分水泥对3D打印混凝土性能的影响，发现B型包覆能显著提升流变、力学及辐射屏蔽性能。
2025-03-05 physics.app-ph
Matching frequency response measurements and reduced order models for the inverse identification of viscoelastic properties
本文通过降阶建模与约束粒子群优化匹配频响测量数据，逆向辨识POM和增材制造烧结陶瓷的粘弹性分数阶导数模型参数，并用动态力学分析实验验证了方法的有效性。
2025-11-06 physics.app-ph
Material characterization and precise finite element analysis of fiber reinforced thermoplastic composites for 4D printing
四维（4D）打印是增材制造（3D打印）中出现的一种新技术，因其能够将制造后的形状变化编程为工件而广为人知。特别是基于熔融沉积建模（FDM）的4D打印，使用热塑性塑料来生产工件，并需要计算分析来辅助复杂几何形状的设计过程。然而，这些人工制品对结构载荷是脆弱的，并且设计质量可能受到不太准确的材料模型和数值模拟的限制。为了解决这些问题，本文提出了一种由两种材料-聚乳酸（PLA）和碳纤维增强PLA（CFPLA）-制成的复合结构设计，以增加4D打印工件的结构强度，以及由几个物理实验和一系列动态力学分析（DMA）组成的工作流程来表征材料。我们将此工作流程应用于使用不同打印参数制造的3D打印样品，以准确表征材料，并实施顺序有限元分析（FEA）以实现准确的模拟。通过几个创新设计实例，计算和实验验证了触发过程引起的变形的准确性，准确性的95%置信区间为（0.972，0.985）。我们相信，所提出的工作流程是必不可少的几何，材料机制和设计的结合，并具有各种潜在的应用。
2020-11-06 cs.CG physics.app-ph
Fabrication and in vitro characterization of three-dimensional organic/inorganic scaffolds by robocasting
组织工程支架制造的一个关键问题是开发足够灵活的加工技术，以生产具有广泛溶解度（生物吸收率）和与钙化组织相匹配的机械性能的材料。这些技术还必须具有产生足够的孔隙率的能力，以进一步充当细胞渗透、新骨形成和随后的重塑的框架。在这项研究中，我们展示了如何在室温下使用机器人辅助沉积来构建具有受控微观结构的混合有机/无机支架。制备了孔径在200 - 500 μ m之间的聚乳酸或聚己内酯支架，羟基磷灰石含量高达70wt%。压缩测试显示支架的各向异性行为，强烈依赖于它们的化学组成。包含的无机组分增加了它们的刚度，但它们不脆，并且即使对于高达70重量%的陶瓷含量也可以容易地加工。在模拟体液中放置20天后，杂化支架的力学性能没有明显下降。然而，由于聚合物致密化，纯聚乳酸支架的刚度急剧增加。还打印了含有生物活性玻璃的支架。在模拟体液中20天后，它们的表面上形成了磷灰石层。
2018-03-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Fabrication of Poly (ε-Caprolactone) 3D scaffolds with controllable porosity using ultrasound
本文提出选择性超声熔化（SUM）方法，通过聚焦超声打印与水混合的PCL粉末，实现孔隙率主动可控的3D支架制造，并验证其细胞相容性，为FDM和材料喷射提供替代方案。
2025-01-21 physics.app-ph
Multilayered Recoverable Sandwich Composite Structures with Architected Core
在本文中，我们提出了一种新的设计和制造策略，以生产建筑芯结构作为核心的复合材料夹层结构。传统的泡沫芯或蜂窝结构重量轻且坚硬，但在承受过大载荷时易发生永久变形。在这里，我们建议使用的架构结构组成的阵列的中空截锥单位细胞，耗散能量和表现出结构恢复。这些用粘弹性材料印刷的结构依赖于其侧壁的屈曲来耗散能量和回弹以防止永久变形。我们探索这些锥形单胞在其屈曲强度和屈曲后稳定性条件方面的机械响应，并通过将它们与无量纲几何参数$α$、$β$、$γ$相关联来开发相同的设计图，其中$α$表示弯曲侧壁的细长度，$β$是侧壁到基部的角度，并且$γ$表示侧壁的曲率。一个有效的有限元模型的开发和使用这些参数的影响进行调查。我们看到，当载荷由弯曲侧壁中的材料体积归一化时，峰值屈曲载荷与$α$和$β$两者成正比，并且不依赖于$γ$。有趣的是，后屈曲稳定性受$γ$或侧壁的初始曲率的影响，其中较大的曲率半径使得结构不太容易表现出结构双稳定性。这里呈现的结构是使用粘弹性材料打印的，这使得它们表现出伪双稳态或延迟恢复。这允许结构屈曲和耗散能量，然后恢复到其原始配置，而不需要外部刺激或能量。
2021-06-02 physics.app-ph
Development of High-Quality Polymer/Air-Bragg Micromirror Structures for Nanophotonic Applications
本文开发了基于双光子聚合的聚合物/空气布拉格微镜，实现快速原型、宽波段兼容，反射率近99%，支持混合纳米光子器件。
2023-08-31 physics.app-ph physics.optics
