增材制造的仿生多层夹心结构在面外压缩下的不同芯材构型

为何仿生撞击防护重要

从汽车保险杠到飞机客舱，许多现代交通工具依赖隐藏的“夹心”面板，这些面板必须既轻又能在碰撞中吸收巨大能量。该研究探讨了一类受橡树果杯保护结构启发的新型面板。通过用 3D 打印复制这一天然形状并精细调整内部结构，研究人员展示了如何制造出既轻便、可回收又更善于缓冲冲击的塑料结构。

向橡树学习

研究的出发点是橡树的杯状果壳（cupule），那层鳞片状的壳在橡子落地时保护其不受破坏。在自然中，这层壳通过薄壁与空腔网络来分散冲击力。团队把这一思想转化为人造的夹心面板：两块平整、刚性的外板，中间夹着带有花纹的空心芯材。芯材不是泡沫，而是由许多小的单元形状组成，分成若干层堆叠。这些单元形状既模仿了自然中的模式，也用于测试哪种形状更能优雅地承受压碎载荷。

通过 3D 打印构建复杂芯材

为将这些设计制造成实物，研究人员使用了一种基于粉末的 3D 打印工艺——多喷头熔融（Multi Jet Fusion），选用的是一种叫尼龙 PA12 的高强工程塑料。该工艺能在无需胶水或螺栓的情况下生成复杂的内部结构，使外板与芯材成为一体件。团队打印了多层面板，其芯材遵循四种基本布局：菱形、六角形、方形和圆形单元。同时他们改变了单元尺寸、相邻单元间距，以及波纹层是同向堆叠还是层层交错旋转。

压碎试验及其发现

然后将面板置于平钢板之间缓慢挤压，同时测量力与位移。这些试验模拟碰撞时车辆墙体或地板从外部受压的情形。起初，面板呈弹性响应，卸荷后能反弹。随着载荷增加，内部薄壁开始弯曲、屈曲并出现裂纹，面板进入一个较长的“平台期”，在塌缩过程中持续吸收能量。通过追踪力-位移曲线及其下方面积，团队计算出总吸收能量与单位质量吸收能（即每克吸收能量），这是对重量敏感设计的关键指标。

哪种形状表现最佳

菱形与六角形结构表现尤为突出。带菱形芯材的面板吸收能量约为 440 焦耳，且每克能量最高，六角形芯材紧随其后。它们带角度或棱面的壁面提供了多条力传递路径，促成平稳、逐步折叠而非突发失效。方形和圆形芯材吸收的能量明显更少，部分原因是尖角或完全曲面的壁面会集中应力并诱发早期局部塌陷。在保持面板整体尺寸不变的前提下，减小单元尺寸会提高峰值力和圆形、六角形芯材的吸能。适度增大单元间隙则进一步延迟相邻壁面的相互作用，延长温和塌缩阶段。

协同工作的层

层的堆叠方式也起着重要作用。当所有波纹都指向同一方向时，许多单元壁会同时屈曲，导致载荷出现更陡的断降。将每层相对旋转可以将不稳定性沿厚度分散开来。这种交错使得载荷必须在层间重新分配，并增加层间摩擦与滑移。在圆形与六角形芯材中交替堆叠的模式都将总吸能提高约五分之一，并使每克吸能提高超过 10%。具有小单元、更宽间距和交错层的六角形芯材在性能上最为均衡，既具高峰值强度又有非常高效的缓冲能力。

对更安全、更轻结构的意义

对非专业读者而言，主要结论是：面板内部的花纹与层间排列可以和使用的材料量同样重要。通过借鉴橡树果杯的图样并用 3D 打印制造，研究团队表明巧妙设计并堆叠的单元能把一张轻质塑料板变为高效的吸能器。这类面板可助力未来汽车、列车与飞机在保护人员方面做得更好，同时控制燃料消耗与材料浪费。

引用: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

关键词: 仿生结构, 夹心面板, 能量吸收, 增材制造, 抗撞性能