任何事物都有它的兩面性都有優(yōu)缺點，3D打印也不例外。而3D打印中一個十分常見的缺點就是用它生產(chǎn)出來的部件其強度比不上傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的部件強。不過伴隨著3D打印材料和技術(shù)的不斷進步，3D打印的零部件也展現(xiàn)出來獨有的強度、耐用性已經(jīng)和傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的部件旗鼓相當，甚至還超越了傳統(tǒng)制造。現(xiàn)在位于來自美國威斯康星州的首府麥迪遜的威斯康星大學麥迪遜分校的研究員已經(jīng)開發(fā)出了必其他用在建筑上的材料強很多的3D打印材料。

工程物理學教授Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger 3D打印了一種材料，其行為與Cosserat彈性理論一致，也被稱為微極彈性。在高壓力環(huán)境下分析其物理性能時，物質(zhì)底層結(jié)構(gòu)中的理論因素。Lakes和Rueger使用該理論設(shè)計了一種聚合物晶格，其彎曲剛度比經(jīng)典彈性理論預測的高30倍。晶格由排列成重復十字交叉設(shè)計的聚合物帶組成，可以增加強度和耐用性。

“如果你的材料中有底層結(jié)構(gòu)，比如一些泡沫、格子和纖維增強材料，那么它比經(jīng)典彈性理論能夠處理的自由度更大，”Lakes說。“所以我們正在研究材料的自由行為，而不是標準理論所預期的方式。”

材料自由打開了創(chuàng)造不受壓力集中影響的新材料的“大門”，即比任何其他材料都更加堅韌。實際應用可能包括使飛機機翼更加抗裂。如果飛機機翼出現(xiàn)裂縫，應力集中在裂縫周圍，使機翼更弱。

“你需要一定的壓力來打破某些東西，但如果它有裂縫，你可以用較小的壓力來打破它，”Lakes說。

然而，Cosserat理論產(chǎn)生了壓力分布不同的材料，使其變得更加困難。這種行為可以在骨頭以及某些類型的泡沫中看到。但是，當制作泡沫座墊時，工程師對泡沫的底層結(jié)構(gòu)沒有太多的控制，因此他們對調(diào)整Cosserat效果的能力有限。

然而，Lakes和Rueger可以在其3D打印材料中調(diào)整Cosserat效果，使其非常強大。

“我們開發(fā)了一種材料，我們對晶格的精細結(jié)構(gòu)進行了非常詳細的控制，這使我們能夠在彎曲和扭轉(zhuǎn)材料時獲得非常強大的效果，”Lakes說。

大多數(shù)建筑物都是根據(jù)經(jīng)典彈性理論設(shè)計的，如建筑物、飛機、橋梁和電子設(shè)備-但這種基于Cosserat理論的新型設(shè)計可以產(chǎn)生出眾的材料。通過3D打印材料，工程師可以更好地控制其性能和結(jié)構(gòu)，這可能會導致一種新的建筑方式，或者至少可以設(shè)計某些部件，比方說前述的飛機機翼。

Rueger和Lakes發(fā)表了題為“橫向各向同性聚合物晶格中的強Cosserat彈性”的論文。