轻量化安全新思路：TPMS 3D打印填充让薄壁管吸能效率倍增

在汽车、航空航天及高速轨道交通装备领域，实现极致轻量化的同时提升碰撞安全裕度始终是重要工程诉求。

传统薄壁吸能结构虽已通过多胞、仿生等设计不断优化，但其性能提升逐渐遭遇瓶颈——单纯增加壁厚或加强筋会导致重量上升，而不合理的屈曲模式则直接制约了实际工程应用。在此背景下，三周期极小曲面（TPMS）作为一种结构可控、可精确设计的多孔构型，凭借其消除应力集中、比表面积大及能量吸收效率高的特性，为薄壁管填充技术提供了全新思路。

薄壁管状TPMS的结构优化与一体化打印策略

随着众多工程领域对轻量化结构需求的增长，薄壁管因其轻质和高能量吸收特性成为吸能结构的研究核心。尽管通过仿生、多胞等结构设计不断提升了薄壁管的性能，但单纯的结构优化仍未满足实际需求——增厚管壁或增加加强肋会导致重量上升，而不合理的屈曲行为也限制了其工程应用。

在此背景下，填充被证明是提升薄壁管能量吸收的有效途径。铝泡沫因其低密度和高能量吸收而成为研究热点，研究表明填充结构的性能提升源于各组件间的相互作用，并能有效改善变形模式。然而，铝泡沫难以精确调控相对密度且标准化困难，这一缺点日益凸显。相比之下，蜂窝、晶格、三周期极小曲面（TPMS）等有序多孔结构因其结构可控、可精确设计而受到更多关注。特别是TPMS，凭借其优异的比表面积、可消除应力集中的特性及灵活的设计性，在能量吸收方面展现出巨大潜力。研究表明，将TPMS作为填充物，其能量吸收性能甚至优于传统铝泡沫，这为TPMS替代传统填充物提供了可能。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2025.119820

近日发表在Composite Structures期刊的“Improving energy absorption in structures using tubular TPMS structure optimization and printing strategies”一文，在这一方向上取得了实质性进展。研究团队基于圆形截面薄壁管具有更优能量吸收性能的结论，利用选择性激光熔化3D打印技术，制备了一种由双层圆管和新型异形TPMS填充物构成的集成结构。研究通过准静态压缩实验验证了有限元分析的准确性，并系统评估了不同相对密度下的耐撞性。结果表明，集成打印结构在能量吸收方面表现卓越：其比吸能相比基准结构最高提升85.1%，压溃力效率提升46.6%。这主要归因于集成结构能有效提高整体刚度、减少压缩过程中的力波动，从而显著增强抗冲击性能。此外，研究还发现，异形TPMS能在相同相对密度下实现更低的初始峰值力和更高的平台应力，而多形态TPMS则具备梯度吸能特性，可进一步优化吸能过程。

图文简析

结论

在本研究中，研究团队采用圆柱坐标系和堆叠方法构建了管状TPMS 、异形TPMS和多形态 TPMS ，并将其填充到双层圆管中。通过对比含双层圆管与不含双层圆管的有限元模拟及准静态压缩实验，发现双层圆管与内部结构通过相互抑制作用缓解了局部屈曲，显著提升了样品的能量吸收性能。

研究团队进一步将集成3D打印与填充结构进行对比，并通过扫描电镜（SEM）分析挤出响应模式与能量吸收特性。

研究主要发现如下：

(1)添加双层圆管后，内外壁与内部结构的相互作用改变了相对低密度结构的变形模式，缓解了结构的不合理变形行为，一定程度上增加了有效压缩距离并提升了能量吸收性能。

(2)异形 TPMS 在保持相同相对密度的情况下实现了低初始峰值力（Fi）和高SEA。与子结构相比，HetGP保持了较低的初始峰值力，SEA分别提高了32.7%和18.1%；HetGD同样保持了较低的初始峰值力，SEA分别提高了18.4%和2.3%。这表明我们提出的异形 TPMS 具有更广泛的应用潜力。

(3)多形态 TPMS 实现了梯度能量吸收，但由于整体建模的局限性，其在高相对密度结构中的压缩余量不足，导致有效压缩距离较短。然而在相同压缩位移下，其性能依然优异，降低了初始峰值力（Fi），同时SEA分别提升了20.6%、34.1%和41.4%。在狭窄空间中，其更高的碰撞安全性和梯度能量吸收特性使其应用更具灵活性。

(4)集成打印技术显著增强了结构的能量吸收能力。三种结构的SEA分别提升了85.1%、82.5%和21.9%，较低的峰值力使其 CFE 更高。本研究提高了结构的能量吸收效率，并拓展了其在汽车、航空航天和海洋工程领域的应用潜力。后续工作将聚焦于爆炸冲击测试，并改进Gibson-Ashby模型以预测多孔结构在冲击下的能量吸收性能。

转载来源：AI超材料

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