基于增材制造（AM）技术的多材料功能梯度螺旋壳TPMS结构在准静态和动态载荷下的机械性能

《Thin-Walled Structures》：Mechanical performances of AM based multi-material functionally graded gyroid TPMS structures under quasi-static and dynamic loading

　　

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  多材料螺旋体晶格被设计成从底部的50%相对密度逐渐减少到顶部的20%的梯度。
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  方差分析（ANOVA）证实，TPU层的数量是影响机械性能的主要因素，贡献率高达58.89%。
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  优化后的配置实现了最大极限压缩强度26.18 MPa和总能量吸收253.41 J。
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  冲击测试成功量化了16毫秒测试窗口内的动态结构减速度和能量减缓情况。

引言

得益于增材制造技术的快速发展带来的显著设计自由度[1]，轻质、高性能的蜂窝材料以及具有定制机械特性的材料得以开发。特别是三周期最小表面（TPMS）结构，尤其是螺旋体拓扑，因其光滑的数学表面、连续的内部网络以及比传统基于支柱的晶格更好的能量吸收性能而受到广泛关注。同时，多材料熔融沉积建模（FDM）技术的发展使得通过无缝整合结构不同的相（如刚性的聚乳酸（PLA）和超弹性热塑性聚氨酯（TPU）来创建功能梯度材料（FGMs）成为可能[2]。尽管结合相对密度梯度可以 improve 冲击韧性[3]，但柔性聚合物相的空间排列与打印过程中的动态处理变量（如气流速率和打印速度）之间的复杂非线性相互作用仍很大程度上尚未被量化。除非充分捕捉这些制造与性能之间的相互依赖性，否则优化这些复杂的超材料以实现可预测的能量耗散仍具有挑战性[4]。

本研究提出了一种基于实证和数据驱动的方法，系统地 mapping 了TPU层序和局部FDM参数界限的综合效应，克服了传统理想化单材料研究的局限性。该研究建立了一个新颖的预测设计框架，通过结合严格的田口实验矩阵与高保真机器学习模型（例如CatBoost和eXGBoost），成功地在密度梯度的螺旋体拓扑中实现了结构刚性与渐进式、稳定的粘弹性阻尼之间的平衡。

最近的研究证实，这种结构连续性在动态压缩过程中能够实现整个蜂窝网络的高度对称和均匀应力分布。TPMS结构有效地将主要变形机制从过早的节点屈曲转变为稳定、可预测的渐进式材料屈服，通过平滑这些局部应力路径来实现这一点。这大大提高了动态压缩条件下的基线总能量吸收能力和冲击韧性[5]。同时，多材料FDM技术的发展使得使用单一打印工艺制造由不同材料制成的复杂结构成为可能。

为了在保持结构响应准确性的同时显著降低计算复杂性，郭等人提出了一种类似的层压增强技术，将增强面板转换为三层正交各向异性层压面板。该模型通过显著减少计算时间成功地预测了静态变形和屈曲行为，证明了其适用性[6]。根据万等人对FDM制造的TPU TPMS晶格的循环压缩行为的研究，I-WP晶格在重复加载下具有最高的变形恢复能力，而Diamond晶格则表现出更好的能量耗散性能。他们还展示了晶格布局如何影响冲击性能，较高的相对密度增加了能量耗散，而较低的密度则改善了变形恢复[7]。邱等人展示了通过选择性激光熔化制作的三维功能梯度TPMS结构，并表明在多方向加载下，梯度原始和螺旋体晶格在能量吸收方面远优于它们的均匀对应物。此外，他们的结果表明，梯度分布和最佳体积分数是优化轻质TPMS结构能量吸收能力的关键设计因素[8]。

关于密度梯度蜂窝结构和单材料TPMS晶格的机械性能已经有多项研究；然而，关于空间材料分布与动态增材制造过程参数的联合行为仍存在显著的研究空白。特别是，目前尚未系统地确定功能梯度螺旋体结构中TPU层序如何影响局部FDM的边界条件（如气流速率和打印速度）。多材料梯度晶格的制造与性能相关性研究不足，也没有优化框架来预测承载结构变形与动态粘弹性阻尼之间的复杂非线性权衡。这是因为大多数现有文献集中在理想化的几何拓扑或单变量材料配置上。本研究系统地评估了具有从底部50%到顶部20%连续相对密度梯度的多材料功能梯度TPMS螺旋体晶格的结构和机械性能，以克服这些限制并填补这一研究空白。使用严格的田口L27正交阵列，本研究系统地评估了TPU层配置、气流速率和打印速度在准静态压缩和落锤冲击条件下的综合效应。由于层配置的变化同时改变了T-PLA/TPU界面的空间频率和固定相对密度梯度内柔性相的整体比例，因此TPU层的数量被视为一个耦合的空间-组成设计变量。因此，本研究重点不是试图独立分离材料分布和材料组成，而是表征它们的综合影响。此外，使用了CatBoost、eXGBoost和高斯过程回归（GPR）等先进的机器学习技术来精确映射这些非线性过程-属性关联，以缩小实证测试与预测设计之间的差距。最终，我们的工作通过提供优化下一代多材料超材料结构完整性和冲击韧性的关键数据驱动基础，避免了经验性的试错方法。

在多材料增材制造中，显著的界面应力集中和意外的灾难性剪切是常见的限制，通过明确选择功能梯度密度分布可以避免这些问题。在均匀共打印的晶格中，从高模量的硬质TPU到低模量的软质PLA之间的突然过渡常常导致在高应变率下过早分层。通过整合连续的相对密度梯度，强制形成自上而下的确定性变形路径。由于顶部区域的相对密度（20%）低于底部（50%），应力重新分布得到了空间控制。这使得原本的局部结构屈曲转变为稳定的、逐层破坏机制，最大化了组成聚合物相的总能量吸收能力。

章节摘录

光纤

选择光纤至关重要，特别是使用热塑性聚氨酯（TPU 95 A）因其超弹性阻尼特性，以及使用坚韧的聚乳酸（PLA）因其结构刚性，以实现所需的功能梯度行为。因为坚韧的PLA比普通PLA具有更好的拉伸强度和抗冲击性，因此被选为三周期最小表面（TPMS）结构50%相对密度基础的主要刚性相[9]。在

方差分析（ANOVA）

在评估不同参数的统计影响之前，理解FDM加工设置与宏观超材料性能之间的联系至关重要。像气流速率和打印速度这样的工艺变量与涉及多种不同聚合物相的多材料增材制造中的空间材料排序密不可分。因此，实验矩阵中观察到的方差并不表示制造不稳定或

本实验设计的局限性

本研究没有将TPU材料比例与其空间分布分开，因为连续的相对密度梯度本质上将材料分配与层配置耦合在一起。因此，2层、3层和6层样品代表不同的空间-组成结构，测得的差异不能仅归因于TPU含量或材料分布。受控的样品尺寸、螺旋体拓扑

结论

在这项工作中，坚韧的PLA和TPU成功集成到一个密度梯度设计中，从底部的50%相对密度到顶部的20%，使用熔融沉积建模（FDM）制造了多材料功能梯度TPMS螺旋体晶格结构。使用田口L27正交阵列研究了气流速率、打印速度和TPU层数对构建结构的机械和冲击性能的影响。

实验结果表明

CRediT作者贡献声明

M. Saravana Kumar：撰写 - 原始草稿、可视化、验证、概念化。Che-Hua Yang：监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取。S. Rashia Begum：软件、项目管理、方法论、调查、正式分析。M. Vasumathi：验证、软件、项目管理、方法论、数据管理。Valentin Romanovski：可视化、资源管理、方法论、正式分析、概念化。Bashir Salah：监督，

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Mendeley和Chat GPT来引用参考文献列表并优化英文语言。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

资助

本研究由Ongoing Research Funding计划（ORF-2026–145）资助，西班牙Saudi Arabia的King Saud University提供支持。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢King Saud University通过Ongoing Research Funding计划资助这项研究（ORF-2026–145），位于Saudi Arabia的Riyad。

M. Saravana Kumar|Che-Hua Yang|S. Rashia Begum|M. Vasumathi|Valentin Romanovski|Bashir Salah