4D打印纖維增強熱塑性復合材料的性能表征和有限元分析

供稿人:單存清 王玲
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

4D打印是基于3D打印出現(xiàn)的一項新技術(shù)，因其能夠?qū)?D打印出的結(jié)構(gòu)在外界激勵下隨時間發(fā)生形狀或結(jié)構(gòu)變化而廣為人知。目前，基于熔融沉積（fused deposition molding, FDM）工藝的4D打印存在制件力學性能差以及由于材料模型和數(shù)值模擬的限制造成的設(shè)計精準度差的問題。為了解決以上問題，美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究者設(shè)計了一種由聚乳酸（PLA）和碳纖維增強聚乳酸（CFPLA）材料構(gòu)成的復合結(jié)構(gòu)，以提高4D打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度，并通過材料性能表征，采用有限元分析方法實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的精確模擬。

圖1為彎曲單元復合結(jié)構(gòu)的組成示意圖，是由制動塊和約束塊組成的雙層結(jié)構(gòu)，其中，白色為致動塊，由PLA材料打印，沿縱向打��；灰色為約束塊，由CFPLA材料打印，沿橫向打印。彎曲單元打印完成后存在殘余應力，將打印完成的彎曲單元置于PLA玻璃化溫度Tg（80℃）以上環(huán)境中會釋放殘余應力，而縱向打印的制動塊將比橫向打印的約束塊收縮更多，產(chǎn)生的收縮差導致單元的彎曲行為。

圖1. 4D打印彎曲單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

PLA和CFPLA的材料性能通過動態(tài)力學分析（dynamic mechanical analysis, DMA）實驗進行表征，在80℃下對材料進行壓縮、單向拉伸和彎曲測試，利用應力-應變曲線得出材料的超彈性和粘彈性，并考慮了馬林斯效應以解決材料的應力軟化。根據(jù)材料性能表征的結(jié)果，確定有限元分析（finite element analysis, FEA）模型的材料屬性，并通過實驗與模擬結(jié)果的對比得出制動塊和約束塊的殘余應力值。研究者的計算模擬過程考慮殘余應力的釋放和體力的影響，確保了仿真具有較高的精度，對彎曲樣件的實驗與仿真結(jié)果對比如圖2所示，誤差約為1%。

圖2. PLA材料和PLA-CFPLA材料樣件的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

最后，以PLA和CFPLA材料，利用有限元仿真，研究者設(shè)計并制備了三款4D打印產(chǎn)品。產(chǎn)品（平面結(jié)構(gòu)）采用FDM工藝打印完成，置于80℃環(huán)境中，結(jié)構(gòu)變形成為最終設(shè)計產(chǎn)品，如圖3所示為其一專為殘障人士設(shè)計的水杯架。但目前使用有限元分析工具進行仿真的時間成本較高，無法實現(xiàn)產(chǎn)品的實時交互式設(shè)計。

圖3. 4D打印產(chǎn)品設(shè)計和成品

參考文獻：
Y. Yu et al., Material characterization and precise finite element analysis of fiber reinforced thermoplastic composites for 4D printing. CAD Computer Aided Design 122, (2020).