基于恶魔铁甲虫增韧机制启发的拼图式填充结构在3D打印技术中的应用研究

本研究受恶魔铁甲虫（Phloeodes diabolicus）外骨骼的拼图状生物结构启发，开发了一种新型拼图式填充（Jigsaw pattern infill）结构，用于熔融沉积成型（FFF）3D打印技术。通过实验和计算分析验证，该结构能有效减少传统填充在机械载荷下的结构失效，并与连续碳纤维增强（CCFR）技术协同作用，使弯曲强度达到338.9 MPa（碳纤维体积分数23.58%），优于传统实心填充结构（305.5 MPa，32.16%）。研究还通过汽车千斤顶等应用展示了其轻量化潜力，为汽车和机器人行业提供了创新解决方案。

　　

摘要

受恶魔铁甲虫（Phloeodes diabolicus）外骨骼前翅（elytra）的拼图状生物结构启发，本研究开发了一种用于熔融沉积成型（FFF）3D打印技术的拼图式填充（Jigsaw pattern infill）结构。这种生物结构因其互锁和层状叶片几何形状而具有卓越的韧性，为3D打印填充设计提供了新思路。通过实验和计算分析，验证了拼图式填充的生物仿生特性，并采用中心复合设计（CCD）统计方法系统研究了设计和打印参数的影响。研究还探讨了拼图式填充与连续碳纤维增强（CCFR）技术的协同效应。结果表明，拼图式填充能显著减少因填充密度和挤出流量变化导致的机械强度损失，性能优于传统填充结构。

1 引言

3D打印技术因其快速原型制作、几何复杂性和材料效率等优势而备受关注。熔融沉积成型（FFF）通过加热喷嘴挤出热塑性长丝，逐层沉积材料，适用于资源受限环境。然而，FFF打印材料的机械强度有限，制约了其在工程中的应用。尽管已有研究开发了多种复合材料（如碳纤维、玻璃纤维等），但其机械性能仍无法与金属部件媲美。连续碳纤维增强（CCFR）技术通过在高分子层间嵌入碳纤维，显著提升了部件强度，但局部失效可能导致纤维张力丧失，影响性能。

2 结果与讨论

2.1 恶魔铁甲虫启发的拼图式填充结构

恶魔铁甲虫的外骨骼结构通过机械互锁和层状设计抵抗压缩和冲击载荷。本研究设计的拼图式填充结构模仿了这种生物机制，由椭圆几何和层状叶片组成，单元尺寸为6.35×6.35×6.35 mm³。通过调整层数（B）和角度（α），可实现填充密度（70%-100%）和机械性能的调控。

2.2 拼图式填充的压缩性能

压缩测试（ASTM D695）表明，拼图式填充结构在应变超过20%时仍能避免灾难性失效，而传统填充结构（如线型、三角形、六边形）则易发生断裂。在60%挤出流量下，拼图式填充的压缩强度损失率（2.26 MPa g^-1）显著低于线型填充（31.67 MPa g^-1）。

2.3 统计优化与材料普适性

通过中心复合设计（CCD）统计方法，建立了拼图式填充的回归模型，优化参数为α=32.3°、流量100%、填充密度70%。该设计在PLA、PETG、ABS和CF-PLA等多种材料中均表现出优异的强度-质量比（STM），最高达14.8 MPa g^-1，优于铝合金平均值（8.64 MPa g^-1）。

2.4 与CCFR的协同效应

拼图式填充与CCFR结合后，弯曲强度达338.9 MPa（碳纤维体积分数23.58%），比实心线型填充（305.5 MPa，32.16%）提升11%，同时减少9%的碳纤维用量。B-2调制策略的增强效率最高（39.4 MPa cm^-3），凸显了互锁结构对维持纤维张力的作用。

2.5 实际应用验证

拼图式填充的3D打印千斤顶成功顶起1089 kg汽车，而 lifting hook 可承载150 kg载荷。其STM（10.5 MPa g^-1）和比强度（288.5 MPa·cm³ g^-1）均优于钛合金（Ti-6Al-4V）和铝合金（6061-T6），展示了在汽车和机器人领域的轻量化潜力。

3 结论

拼图式填充结构通过仿生互锁机制有效提升了3D打印部件的机械性能，并与CCFR技术协同实现了高强度、低材料消耗的轻量化设计。该研究为替代金属部件提供了创新解决方案，推动了3D打印在结构应用中的发展。

（注：以上内容严格基于原文，未添加未提及的结论或数据。）