3D打印多材料复合材料用于顺应性和应变恢复结构的定制

江苏激光联盟导读：

连续多材料复合结构是一种新颖的多功能结构材料。本研究主要聚焦在3D周期性单材料胞状结构和相应的连续复合材料的机械行为的数值模拟和实验结果。不同体积分数的理想结构采用FDM多材料进行了制备，其压缩性能采用机械设备进行了测试。结果观察发现嵌入的超弹性材料到胞状结构中可以显著的阻碍局部区域的剪切带。由此使得复合材料易于经受巨大的变形而不失效。此外，结果显示多材料中的软相诱导了一个均匀的变形直至胞状结构材料，从而促进整个复合材料的载荷承载能力和柔韧性。在这里，结果显示连续多材料复合材料提供了一个理想的柔韧性和载荷之间的平衡设计，这称之为顺应性。应变恢复数值在82~93%。这一复合的性能可以在诸多的工程应用背景中具有十分重要的价值，如合成四肢，软体机器人和可穿戴结构，如鞋子和(固定断肢的)夹板。

成果的Graphical abstract

多材料的增材制造提供了一个非常有竞争力的制造手段，使得具有不同机械性质的材料可以选择性的在一个结构中进行制造，促使复杂的多结构部件的迭代设计结构可以快速的通过微不足道的努力来实现。由于连续多材料复合材料同组成材料特性的材料相比较具有非常优异的性质，从而使得科学家对这类材料具有非常大的兴趣。连续复合材料具有的互穿相具有多个功能特性，有效的机械性能，数值化定义的形貌，热和电的极端性质等。然而，这些结构的能力所提供的不同的韧性在一个方向的特性提供了机器人的多功能设计的巨大潜力，这使得某些特殊场合的应用，如软夹持器，这是材料韧性的一个空间变化，其作用在于潜在的提供有价值的工程解决方案。作为另外一种多材料结构，高性能的能量吸收结构所呈现的超塑性且具有可逆的压缩应变直至0.9以及高性能的能量吸收结构可以制造和得到应用。这里也有一些研究是关于这一采用FEM手段制备的非均匀互穿复合材料的截面和空穴生长以及失效的工作。

图1. (a)组成为4×4×4的3D 周期性胞状结构；（b）连续的多材料结构，组成为软体和硬质相，可以承受轴向压缩

这里有四种方式来制造多材料结构，立体光刻（SL），选择性烧结（SLS），3DP和熔融沉积成型（FDM）。最近，立体光刻技术成为许多多材料结构制造的主流技术。尽管该技术有许多优点，如堆积精度可以达到16 µm，但该材料只适合UV光进行加工。此外，当前适合打印的光刻材料一般并不能承受高的材料应变，没有理想的机械强度以及易于在循环载荷下失效等。几乎所有的聚合物材料均可以通过加热的喷嘴来实现这一手段的打印。FDM，可代替的，是一种低成本的技术和可以适应广泛应用的材料。作为一种先进的技术，一些FDM打印机使得其可以实现多材料的３D打印。

图２.（ａ）没有剪切带(ε=0∼0.059)的硬质胞状结构的弹性变形；（ｂ）韧带的初始塑性变形,在中间层形成剪切带(ε=0.059∼0.11);(c)胞状结构压缩的实验结果和模拟结果的比较,未变形的 4×4×4胞状结构采用FDM进行制造,其相应的网状用于FEM模拟的,其体积分数为30%,示于图中

连续多材料复合材料在近年来吸引了大量的注意,这在于该材料所具有的显著区别于传统复合材料的性质.在界面处的排除应力集中,平滑过渡的韧性,减少施加材料的数量以及打印材料的强烈的结合等,均不易集合在一起,直到现在采用传统的多材料复合材料才得以实现.一个前沿的例子,采用传统的多材料工艺进行制造的在制造经胫骨截肢时具有可变的刚度假肢插座的多材料复合材料,采用多材料3D打印技术进行了制造，制造工艺为SL．打印的插座减少了身体和插座之间界面接触压力的峰值接触压力，减少了１７％．然而，传统的形貌所打印处理的插座具有如下缺点：(i)在插座中的韧性不连续；(ii) 打印结构所形成的较差的机械性能导致身体变胖;(iii)采用不同韧性的材料来满足顺应性.此外,在机器人的设计领域,最近的研究在于利用3D打印来实现刚性和柔性的机器人且具有九种阶式梯度材料所组成,创造出来的结构从高度柔性(如同橡皮一样)到完全刚性(如类热塑性塑料),采用SL技术进行的制备.考虑到以上所提到的传统多材料复合材料的缺点,在探究新的多材料复合材料的机械行为时就变得至关重要.本文的工作对多材料复合材料的贡献有2点.第一点,为大家展现了3D周期性的单材料胞状D结构的机械行为和相应的连续复合材料．我们的结果表明,这一复合材料提供了一个可控的柔性和载荷之间的平衡，或者说叫顺应性．第二点，我们引入的多材料复合材料具有高度的提供完美的应变恢复的能力．这些性能提供了在机器人和合成构造中的优化支撑和柔性,使得这些结构在同人体部件相接触的时候同生物材料或结构相似.

图3. 采用FDM技术制造的连续多材料结构压缩的实验结果和数值模拟结果的对比.该样品采用拜本兰(Bayblend)作为硬质相,TPUs作为软体相.相应的屈服应力(采用圆圈点来表示)和应变的回复数值(采用三角点来表示).复合显示处显著的在压缩至εmax≈0.35时同原始的高度 (l0)之间的回复

图4. (a)在压缩时胞状结构的局部区域的变形;(b)多材料复合材料采用DIC技术观察到的应变场;

图5. 多材料复合材料在压缩时的机械行为:(a)硬质相结构的体积分数为30%;(b)软体相的体积分数为70%;(c)多材料复合材料由(ab)所组成的复合材料;(d)硬质复合材料结构同软体结构相互作用的多材料复合材料,其中软体材料隐藏起来了;(e)工程应力-应变曲线结果表明载荷承受的压缩结果,显示的为部件a-d的结果;

图6. 多材料复合材料和可变的胞状材料的强度质量比同应变恢复之间的潜力

主要结论：

研究了胞状材料和协同连续材料拜本兰(Bayblend)作为硬质相,TPUs作为软体相的复合材料在采用3D打印技术FDM制造后的样品进行制造后的机械行为的实验结果和模拟结果.展示了在单胞结构时的变形行为经受着不稳定性.此外,其多材料复合材料的变形机制给予了解释,软体相的关键作用也给予了强调,在于该软体材料在胞状结构的不稳定性中向复合材料的稳定性过渡.其过渡将均匀的变形转化至胞状结构,从而实现了多材料复合材料同单个载荷的软体和硬质相材料的载荷能力得到提高.结果显示嵌入软体相到硬质相结构中,使得其更加具有弹性,从而提供了整个复合材料更加具有柔性.我们的结果显示3D周期性多材料复合材料,作为结构材料,提供了一个理想柔性和弹性模量之间的平衡,即顺应性.应变恢复在82~93%,在卸载之后.这一结合的性能提供了多材料的多功能性结构和提供了数据驱动的质量制造,如软体机器人的制造 和合成四肢,以及柯穿戴结构,如鞋子和夹板的制造等。

图7. (a)–(c) 标准试样的CAD模型的尺寸;(e)–(g)制造后的样品的形貌;选择性的区域给予了标示

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！