美国肯尼索州立大学的研究团队发现，通过调整3D打印参数，可使打印部件的强度提升近三倍，这为核能等高安全要求领域实现更安全、高效的设计铺平了道路。

该项目由工程与技术系副主任亚伦·亚当斯主导，机电工程专业学生埃里克·米勒在KSU的START实验室执行，并获得了暑期本科生研究计划和二年级学者计划的支持。团队系统探究了晶格角度、密度及内部通道的细微变化对材料性能的影响。亚当斯指出，这些改进有望解决核燃料系统的效率瓶颈——目前紧密堆叠的燃料芯块因膨胀空间不足，必须在燃料完全耗尽前提前更换，限制了燃料利用率。

亚当斯教授解释道："现有核燃料以约硬币大小的芯块形式堆叠如钱币卷，置于燃料棒内。核反应启动后芯块受热膨胀接触管壁，由于缺乏膨胀空间，只能提前更换。我们最终期望通过复杂几何结构设计实现15%的燃料利用率提升。"

仿真挑战与实践创新
米勒的工作涵盖模型开发、仿真设置及有限元分析，用以测试各类晶格构型。他表示这种经历极大拓展了传统课程之外的技能，并长期关注3D打印技术的普及性，强调即使低成本桌面打印机也能制造日常功能部件。

团队在进行高分辨率仿真时遭遇挑战——曲面结构的精细网格划分对实验室计算资源提出极高要求。亚当斯视这些障碍为学习过程的组成部分，并赞扬米勒展现出的韧性与主动性。米勒即将在ASME会议上展示研究成果，他表示："即使结果看似失败，仍具成功价值——因为它指明了应避免的方向。这段经历对我的成长极具意义。"

增材制造机械性能优化趋势

图片来源： University of Toronto.

肯尼索州立大学的研究反映了AM领域的重要趋势：对内部几何结构的精确控制（无论是微观还是纳米尺度）能显著提升机械性能。

宾夕法尼亚大学工程学院、文理学院与奥胡斯大学的近期研究表明，在3D打印机械超材料中引入受控无序性可提升抗裂性。实验显示，采用非均匀晶格几何结构的材料比均匀重复图案材料的韧性高出2.6倍。计算模拟揭示节点位置的细微变化能更有效分散应力，抑制裂纹扩展。这些发现证明，几何参数的微小调整（而非材料成分改变）可大幅改善机械性能。

多伦多大学的研究团队则开发出密度低于215 kg/m³、比强度高达2.03 MPa·m³/kg的碳纳米晶格结构。他们通过多目标贝叶斯优化结合双光子聚合技术，优化纳米晶格结构以消除节点应力集中（传统纳米结构材料的常见失效点）。聚合物晶格经900℃高温热解转化为热解碳后，在原子层面进一步增强了结构完整性与机械性能。