點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一般是指由金屬桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復(fù)排列構(gòu)成的空間桁架，具有體密度小、比表面積大、比力學(xué)性能高等特點(diǎn)。將其作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下因結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉(zhuǎn)化為熱能，可吸收掉大部分的沖擊能量，因而具有優(yōu)良的緩沖吸能和抗爆炸沖擊性能作用，其在坦克防護(hù)裝甲和艦船結(jié)構(gòu)水下抗爆方面均有應(yīng)用。

如今，點(diǎn)陣金屬夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于輕質(zhì)裝甲以增加其抗爆性能的研究也開始增多。點(diǎn)陣金屬夾芯結(jié)構(gòu)抗爆炸沖擊問題是一個(gè)非均質(zhì)材料結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下響應(yīng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題，關(guān)于點(diǎn)陣金屬材料的力學(xué)特性研究正處于基礎(chǔ)研究階段，主要集中在點(diǎn)陣金屬夾芯梁、板等結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊和彈道沖擊方面。

材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其吸收沖擊的能力發(fā)揮著巨大作用。近日，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特別好用的結(jié)構(gòu)，這種具有緊密空間的分形結(jié)構(gòu)比固體立方體的沖擊波消散能力強(qiáng)出五倍。這可能為頭盔、盔甲和其他防護(hù)用品的改造升級(jí)帶來了新動(dòng)力。

一些減輕沖擊的材料利用孔隙率和分層結(jié)構(gòu)來減小沖擊強(qiáng)度，但傳統(tǒng)的制造手段使這些材料往往缺乏結(jié)構(gòu)控制，并且很大程度上需要通過反復(fù)試驗(yàn)開發(fā)。也有研究試圖通過吸收能量的沖擊驅(qū)動(dòng)反應(yīng)來減小沖擊波的大小，但仍然需要具有尺寸穩(wěn)定性和可定制機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)材料。

3D打印在材料結(jié)構(gòu)控制方面的優(yōu)勢(shì)不必多說，來自LANL研究人員通過分形界面主導(dǎo)結(jié)構(gòu)中孔隙的三維排列演示了沖擊波的耗散。具有低至100µm自由表面間距的孔隙或自由表面的受控布置有望在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度上產(chǎn)生建設(shè)性的稀疏波前相互作用，從而減少通過結(jié)構(gòu)的沖擊波幅度。

采用光固化工藝打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被以約每小時(shí)670英里的速度發(fā)射撞擊器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的立方體比相同材料的固體立方體對(duì)沖擊的消散作用高出五倍。

然而目前尚不清楚分形結(jié)構(gòu)是否是最好的減震設(shè)計(jì)。研究人員正在測(cè)試其他基于空隙或界面的模式，以尋找理想的結(jié)構(gòu)來消散沖擊。3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)距離真正的裝甲防護(hù)可能還有些距離，但其在體育用品上已經(jīng)獲得了應(yīng)用，尤其是3D打印的減震頭盔。

國(guó)外有研究人員分別測(cè)試了由惠普MJF工藝打印的PA11和激光燒結(jié)工藝打印的TPU材料的多種類型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)撞擊的緩沖作用。該項(xiàng)目獲得了歐盟H2020框架計(jì)劃的資助，其內(nèi)容包括研究幾種生成晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，最終將其應(yīng)用于在攀巖、騎行、滑冰等運(yùn)動(dòng)中的個(gè)人防護(hù)頭盔。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和打印的幾種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試是采用5kg的圓形金屬物體從1m的高度掉落到測(cè)試對(duì)象上，測(cè)試設(shè)備可以測(cè)量樣品吸收的總沖擊力。

從測(cè)試的過程可以發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣對(duì)沖擊的防護(hù)作用差別很大，研究人員需要從中選出最佳的結(jié)構(gòu)。截至目前，HP、Carbon等公司均推出了基于3D打印工藝的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)頭盔。

最佳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

不過，雖然點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)極具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障礙使其很難用在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其對(duì)于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要證明設(shè)計(jì)的性能可靠性，特別是在抗疲勞方面。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的表面和尖銳的交叉點(diǎn)很多，這帶來了應(yīng)力集中，在實(shí)際批量零件生產(chǎn)中如何解決這一問題存在一定的挑戰(zhàn)。

另一個(gè)相關(guān)的問題是如何驗(yàn)證制造質(zhì)量。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得難以通過傳統(tǒng)方式檢查，CT掃描確實(shí)提供了一種解決方案，但這種方法非常昂貴，開發(fā)簡(jiǎn)單有效的質(zhì)量檢測(cè)手段也是影響其應(yīng)用的一大限制。