■臺灣科技大學高速3D列印中心 / 劉書丞
前言
超材料(Metamaterial)，意指一類具有特殊性質的人造材料。在成分方面可以是任何日常所見的金屬、高分子，藉由精妙控制材料的結構排列、幾何形貌與尺寸賦予其非比尋常的性能。3D列印技術正名為積層製造，透過逐層疊加的方式可以製造出各例如中空、倒鉤、晶格結構等形貌，這是傳統減法加工、塑性加工等受限於工具外型的製程所不具備的製造優勢。從基本針對應用需求設計，排除冗餘材料、減輕重量達到輕量化，到設計精妙的內部結構並藉由3D列印實現，我們將可於不論機械、電磁或是光學方面，創造構造出一種具備全新性能的材料。
無支撐結構
晶格結構的設計主要受三種特性的影響：「材料特性」、「晶胞形態」、「結構相對密度」。從自然界可發現各種生物特徵如木材、骨骼等例子，由少量材料與特殊結構組合而具有極高的力量乘載能力，這些結構因而常被探討、模仿與應用。我們知道3D列印的高自由度可以實現各種複雜形貌。然而，物件懸空處經常需要建構外加支撐輔以成型，支撐並非是設計中的固有結構，需要花費額外的材料和時間去建構與移除。此外，在一連串精微的結構內移除所有的支撐乃是極大的挑戰。因此，若可將之省去求勢必可提升3D列印利用價值。在材料擠出(Material extrusion)成型技術方面，臺科大高速3D列印中心Ajeet博士等人啟發自一種海膽生物，參考牠們連續曲面的身形已設計了一種殼狀外形的仿生晶胞，該設計可以使用材料擠出成型的方式製造而無須外加支撐（如圖1所示）。
開放、局部封閉與全域封閉
晶格結構可分為開放式(Open Cell)與封閉式(Closed Cell)，礙於支撐材料限制，極少有封閉式晶格結構可以成功設計並製造。基於海膽結構設計進一步將每個晶胞封閉，我們首次在Additive Manufacturing期刊中展示了成功製造的週期性堆積封閉式晶格結構。在此，又將封閉結構區分為局部封閉(Local Closed)與全域封閉(Global Closed)，前者針對物件每個晶格進行封閉，後者則將封閉範圍拓展至整個物件外圍，如圖2所示。相較於開放式結構，封閉結構具有更高的乘載能力，其內封存空氣更提供了支撐強度與阻尼特性。
原子鑲嵌
鑲嵌(Tessellation)可以解釋為使用單種或多種單元晶格排列，設計填充於三維空間中獲得期望的結構特性，在此參考了金屬晶體結構設計，並研究了海膽晶胞在SC、BCC、FCC、HCP等週期性鑲嵌條件下所展現的壓縮性能[2]，如圖3、圖4所示。
結構填充
基於前述封閉式無支撐結構可藉由封裝空氣進而增加支撐與阻尼性能的構想，我們正研究於結構內部填充次材料的表現，例如發泡樹脂、液體、粉末等不定形貌的材質（如圖5）研究其對機械性能的增益，未來將進一步地融入結構鑲嵌的要素發展更多的可能。
結語
已有諸多機械超材料被設計出來可表現出違反物理直覺的行為，例如負彈性模量、負蒲松比等。3D列印對於製造特殊結構有極大的優勢。期冀藉由與讀者分享一條設計思路，激發更多有趣、高效的製造方案與策略。
參考資料
[1].Kumar, L.Collini, A.Daurel, andJ. Y.Jeng, “Design and additive manufacturing of closed cells from supportless lattice structure,” Additive Manufacturing, vol. 33, p. 101168, May2020, doi: 10.1016/J.ADDMA.2020.101168.
[2].Bhat, A.Kumar, andJ. Y.Jeng, “Effect of atomic tessellations on structural and functional properties of additive manufactured lattice structures,” Additive Manufacturing, vol. 47, p. 102326, Nov.2021, doi: 10.1016/J.ADDMA.2021.102326.
