综述：3D打印制造微流控装置：技术、材料、应用与展望

本综述系统探讨了3D打印技术在微流控装置制造中的前沿进展，涵盖材料选择（如TPU、PLA）、创新结构设计（如晶格结构、仿生AGPL）及多领域应用（如生物医学检测、器官芯片）。通过分析增材制造（AM）技术对微流控器件性能（如比能量吸收SEA、有效杨氏模量EYM）的优化，为工程结构多样化提供了可行方案，兼具轻量化与功能集成优势。

　　

引言

晶格结构因轻量化、多功能性和卓越力学响应特性，在航空航天、建筑工程及海洋工程等领域引起广泛关注。传统单构型晶格结构存在多样性、多功能性和多场景适应性局限。为突破这些限制，研究者开发出具有模块化组装能力的双相混合晶格结构，其可根据载荷条件和功能需求重新配置。本文通过实验研究三种新型构型——不对称内凹晶格、仿生晶格及其混合结构的力学性能，证明混合晶格相比传统单晶格结构具有更高的比能量吸收（SEA）和更灵活的多样化性能。

结构设计与方法

不对称内凹晶格设计

通过将二维基准内凹蜂窝单元沿X轴在Y-Z平面排列组合，形成三维基准内凹晶格单元（BRLC）。通过打破基准内凹单元对称性，衍生出单/双不对称内凹晶格单元（SARLC/DARLC），并进一步生成对应晶格结构（BRL/SARL/DARL）。关键参数包括宽度（D）、高度（H）、单元宽度（l）、高度（h）、壁厚（t₁/t₂）及角度参数（φ/θ），满足约束关系：l=2t₁+h，H=3h，D=3l-2t₁。

仿生填充结构设计

受松果、山茱萸等植物形态启发，提出抽象几何多面体晶格（AGPL）。其建模基于Rhino软件，通过正弦曲线生成花瓣平面，经空间排列、曲面组合及孔洞优化（半径R₂/R₃）形成轻量化结构。AGPL可与内凹晶格混合，形成固定式或可拆卸式混合构型。

相对密度与力学指标

相对密度（ρ*）是评估结构轻量化程度的关键参数，定义为固体组分体积与结构总体积之比。基准与不对称晶格的密度方程基于材料密度（ρ_s）和几何参数推导，而AGPL的相对密度通过实体体积（V_e）与总体积（V_s=27h³）比值计算。力学性能评估指标包括：

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  名义应力（σ）=F/A（F为载荷，A为截面积）

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  名义应变（ε）=ΔH/H（ΔH为位移，H为初始高度）

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  有效杨氏模量（EYM）=σ/ε

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  能量吸收（EA）=∫F(x)dx

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  比能量吸收（SEA）=EA/m（m为质量）

材料与实验方法

采用熔融沉积建模（FDM）技术，以超弹性材料热塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）制备试样。打印参数包括：喷嘴直径0.4 mm、平台温度55°C、喷嘴温度225°C、打印速度40 mm/s。通过万能试验机（CMT 6104）进行准静态压缩试验，加载速率2 mm/min，记录力-位移曲线并分析力学响应。

结果与讨论

仿生AGPL的性能

AGPL的压缩响应分为三阶段：线性弹性变形、塑性坍塌和致密化。随着相对密度（0.33–0.52）增加，SEA（870.22–1902.13 J/kg）和EYM（4.46–12.72 MPa）非线性增长并趋于收敛。低密度AGPL_I（ρ*=0.33）在压缩中发生剪切错位，能量吸收能力显著降低。空间布局试验表明3×3×3与4×4×4构型的力学响应趋同，优化了材料与时间成本。PLA材质的AGPL呈现明显塑性坍塌，因此后续混合结构研究均采用TPU材料。

固定式混合晶格的耦合效应

AGPL（ρ*=0.33）与内凹晶格混合形成BRHL、SARHL和DARHL。BRHL与DARHL的力-位移曲线在准线性弹性阶段后出现载荷低谷，而SARHL呈现平台特性。DARHL的EYM（5.61 MPa）和SEA（937.14 J/kg）最高，因双不对称设计避免单元重叠并提供额外支撑。压缩变形显示BRHL与DARHL发生侧向屈曲，而SARHL通过不对称短肋引导变形，稳定性更优。

压缩方向的影响

Y方向压缩时，BRHL_Y和DARHL_Y的初始峰值力低于X方向，但EYM（6.8 MPa）更高。侧向屈曲导致Y方向结构的SEA（709.39–827 J/kg）显著降低，但SARHL_Y因接触相互作用增强，SEA与X方向接近。变形模式表明Y方向压缩时两端单元同时弯曲，中间层延迟变形，凸显结构力学各向异性。

可拆卸混合晶格的性能

可拆卸构型（D_BRHL、D_SARHL、D_DARHL）的载荷能力和能量吸收均低于固定式结构，因接触面摩擦相互作用效率低下。D_DARHL的SEA（496.33 J/kg）和EYM（4.01 MPa）仍优于其他可拆卸设计，证明双不对称策略的有效性。变形过程中AGPL单元膨胀并与内凹晶格耦合，未出现侧向屈曲。

不对称设计对内凹晶格的增强

双不对称内凹晶格（DARL）的SEA（156.82 J/kg）和EYM（1.53 MPa）较基准晶格（BRL）提升32.8%和128.36%，因支撑结构优化避免单元重叠。单不对称晶格（SARL）性能与BRL相近，因剪切变形能量回收效应。宏观杂交设计（如RL_DBD）通过层间单元组合使SEA提升33.71%，并优化变形模式。单元级杂交（如RL_B_D）进一步将EYM提高76.12–89.55%，证明双不对称单元对力学性能的显著增强。

结论

本研究通过不对称策略和仿生设计提升晶格结构的力学性能与能量吸收能力。主要结论包括：

1. 1.

   低密度AGPL通过剪切变形回收能量，边界条件限制导致载荷平台；

2. 2.

   混合晶格各向异性显著，X方向提升SEA，Y方向增强EYM但牺牲能量吸收；

3. 3.

   可拆卸结构性能受限，但双不对称设计仍可优化SEA和EYM；

4. 4.

   双不对称内凹晶格（DARL）的SEA和EYM较基准提升超30%和128%；

5. 5.

   宏观与单元级杂交均可优化变形模式并提升能量吸收效率。

局限与展望

需进一步研究应变率依赖性、数值模拟相互作用机制、材料强度提升及参数化优化。混合晶格在能量吸收箱体、轻量化防护头盔等领域具有应用潜力，如图18所示的可更换模块化设计。