3D 打印 TPU 网格结构的能量吸收与回弹行为

用于更安全无人机着陆的柔性减震器

当无人机在雪地、沙地、草地或岩石坡面起降时，其起落架会反复遭受着陆冲击。强烈的冲击会震动摄像设备、损坏电子元件并缩短飞行器寿命。本研究探讨了柔软的 3D 打印塑料网格——由微小重复空隙组成的轻质构件——如何充当微型减震器，吸收冲击能量并随后回弹复原，从而保持无人机稳定并能迅速重新飞行。

为何海绵状塑料胜过实心金属

传统的起落架和防撞部件通常由实心金属或简单蜂窝结构制成。它们可以很坚固，但较重且在反复冲击下容易发生永久变形。作者在此采用了一种称为热塑性聚氨酯（TPU）的柔性材料，其行为类似坚韧的橡胶：可弯曲、吸能并在很大程度上恢复。借助 3D 打印，TPU 可以被制成复杂的内部图案，使工程师在不改变零件总体尺寸的情况下调节其挤压与回弹特性。对无人机和其他轻型车辆而言，这意味着更轻的重量、更好的振动控制以及更多设计自由度。

五种微型格栅却大相径庭

研究人员设计了五种小型方块试件，每种内部都填充不同的六边形单元格图案——类似微型蜂窝。有些方块在整个体积中保持相同的单元尺寸，而另一些则是分级的：一侧为大孔，平滑过渡到另一侧的小孔。若干设计还在层间增加了细薄的水平梁以增刚，而有一种设计则有意省略了这些梁。所有样件均采用相同的 TPU 打印，因此性能差异仅来自几何结构，而非材料本身的差别。

将网格置于压缩试验下

为模拟着陆与反复冲击，每个 TPU 方块在两个平板之间经历三次缓慢的压缩-释放循环，至预定位移。通过载荷—位移曲线，团队计算出每个方块吸收的能量、回弹时返还的能量、剩余的永久变形量以及使用过程中的刚度变化。他们还建立了计算机模型来可视化单元如何发生屈曲、折叠和致密化。某些图案表现出有序的逐层塌陷，而缺少加固梁的结构则通过倾斜、不稳定的剪切失效，导致控制性差且损伤更快。

缓冲与回弹之间的平衡

有两种设计尤为突出。一种均匀的小单元图案实现了最高的总体能量吸收，形成宽广的屈曲区以吸收强烈冲击。然而，一种分级设计——单元尺寸从一面逐渐变小并以梁连接——则在整体权衡上表现最佳。它结合了单位重量高能量吸收、较强的形状恢复能力以及循环使用中稳定的刚度。相比之下，缺少梁的网格表现出最低的能量吸收、最高的永久变形和快速的刚度衰减，使其不适合长期使用的防护部件。

这对日常技术意味着什么

对非专业读者来说，关键信息是：柔性 3D 打印塑料的内部结构可能与材料本身一样重要。通过精心安排单元尺寸、分级和加固梁，工程师可以制造出既能缓冲剧烈冲击又能回弹复位的起落垫和振动阻尼器。研究表明，分级 TPU 网格尤其能在粗糙或不确定地形上保持无人机着陆时更稳定，可能提高安全性并延长使用寿命。同样的设计理念也可应用于鞋类、头盔、包装以及汽车零部件等需要智能可重复缓冲的领域。

引用: Wu, Y., Wang, L., Yi, Z. et al. Energy absorption and rebound behavior of 3D-printed TPU lattice structures. Sci Rep 16, 9072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36271-1

关键词: 3D 打印网格, TPU 减震器, 无人机起落架, 能量吸收材料, 振动阻尼