3D打印手風(fēng)琴狀材料：實現(xiàn)超可伸縮性的設(shè)計路線

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：脆性聚合物缺乏拉伸性，這限制了它們在需要大變形時的應(yīng)用。

可拉伸的材料在電子設(shè)備、軟機(jī)器人、藥物輸送系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域越來越重要。拉伸性的提高使材料更具延展性，并可能具有更高的耐損傷性，從而使工程師可以設(shè)計出承受較大變形的耐用結(jié)構(gòu)。高拉伸材料的設(shè)計和制造通常選擇兩條路線：（1）使用彈性體和水凝膠作為基礎(chǔ)材料或（2）工程基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（從納米到尺度）。該研究側(cè)重于后一種方法，即使用3D打印和計算建模來定制蜂窩多孔材料的參數(shù)，并設(shè)計一種新型輕質(zhì)材料，該材料具有正弦形支柱，允許脆性和柔性聚合物具有高拉伸性。

通過在電子設(shè)備中引入手風(fēng)琴狀設(shè)計，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在保持電導(dǎo)率的同時，拉伸性可以增加30%。最簡單的手風(fēng)琴狀材料之一是箭頭或雙V建筑（圖1(a)所示）。與傳統(tǒng)的六邊形蜂窩體相比，這種結(jié)構(gòu)可以在平面內(nèi)拉伸性方面產(chǎn)生小的改善，同時提供可調(diào)的剛度和泊松比特性。

圖1.（a）六角形，凹形和箭頭形單元的示意圖；（b）不同相對密度變化的不同結(jié)構(gòu)單元的均質(zhì)剛度。

常規(guī)多孔材料中常見的尖角會限制其拉伸強(qiáng)度和可拉伸性。然而，這種限制可以通過避免其中尖角使用蜂窩架構(gòu)來克服。增材制造技術(shù)的最新發(fā)展促進(jìn)了此類架構(gòu)的設(shè)計，增材制造技術(shù)為具有自由形式和復(fù)雜架構(gòu)的產(chǎn)品的制造提供了幾何和材料選擇的靈活性。在過去幾年里，增材制造技術(shù)的精確度一直在提高，然而，不符合設(shè)計的竣工產(chǎn)品（例如表面波紋、定位誤差、收縮和基于應(yīng)力的變形以及最終產(chǎn)品中的孔隙）在3D打印產(chǎn)品中仍然是不可避免的。

在這項研究中，作者提出了一種新穎的類似手風(fēng)琴的設(shè)計，可以在不犧牲3D打印傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)重量的情況下提高其可拉伸性。3D打印樣品經(jīng)過單軸測試，并對其拉伸性進(jìn)行比較，以顯示蜂窩狀固體底層結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計如何導(dǎo)致超可拉伸輕質(zhì)材料的開發(fā)，即使是由脆性聚合物制成。

由于六邊形和手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的寬度相對較窄，支柱僅由外墻構(gòu)成，即使100％填充用于FDM 3D打印，也不包含額外的填充物。本實驗中所有研究結(jié)構(gòu)打印方向始終沿手風(fēng)琴狀（或蜂窩狀）支柱的方向進(jìn)行，而與零件在打印床上的方向無關(guān)，大部分零件都以45°定向。圖2所示的狗骨頭3D打印樣品來測試兩種聚合物的機(jī)械性能并給出了根據(jù)美國材料試驗學(xué)會D638標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的拉伸試驗的結(jié)果。

圖2. 甲基丙烯酸酯(脆性)光聚合物和尼龍(柔性)熱塑性聚合物的3D印刷狗骨樣品拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3. 建筑蜂窩狀材料的示意圖:(a)鑲嵌蜂窩狀材料，(b)箭頭和正弦手風(fēng)琴狀單元，以及(c)正弦手風(fēng)琴狀單元，用于替代值n

圖4. 三維印刷建筑蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線:(a)蜂窩和箭頭結(jié)構(gòu)和(b)正弦手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)

本文來源：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042030587X