3D打印手風琴狀材料：實現(xiàn)超拉伸性的設計途徑

來源：高分子材料力學性能

可伸縮材料被廣泛應用于軟機器人、電子設備等領域。為了設計出能夠經(jīng)受大變形的耐用結構，需要提升可伸縮材料的拉伸性能以及抗損傷能力。利用現(xiàn)有增材制造(3D打印)技術可設計制造具有復雜幾何形狀的構件，引入內(nèi)部結構可調(diào)控材料的整體力學性能(如剛度、強度、韌性)。

麥吉爾大學A. H. Akbarzadeh教授團隊通過引入一種手風琴狀結構，實現(xiàn)了脆性聚合物延展性的增強。首先，研究人員設計了多個體系結構(如圖1、圖2所示，包括傳統(tǒng)蜂窩結構、凹角結構、箭頭結構和正弦手風琴狀結構)，通過立體光刻(SLA)和熔融沉積成型(FDM)制作了對應的甲基丙烯酸酯聚合物試樣(脆性)和尼龍試樣(柔性)，并進行拉伸實驗來評估不同試樣的拉伸性能。為了更好地理解不同結構在準靜態(tài)單軸拉伸下的變形機制，進行了有限元分析。

實驗結果表明(如圖3所示)，脆性聚合物材料通過改變手風琴狀結構的正弦周期(n值)，可以調(diào)控結構的整體剛度。較大的n值可以獲得更高延展性，在相同質(zhì)量的情況下，n為3的手風琴狀結構的破壞應變可達傳統(tǒng)蜂巢結構的20倍。柔性尼龍材料(如圖4所示)在一定應力范圍(±1.3MPa)內(nèi)經(jīng)受拉壓循環(huán)加載時，正弦手風琴狀結構的能量耗散遠高于傳統(tǒng)蜂窩結構，手風琴狀結構在抵抗循環(huán)載荷破壞時具有一定優(yōu)勢。仿真結果也表明，正弦形單元細胞可以有效地降低結構內(nèi)應力。

該研究從結構設計出發(fā)，詳細地討論了蜂窩結構和手風琴狀結構等內(nèi)部特征對材料拉伸性能的影響。所設計的手風琴狀結構實現(xiàn)了脆性聚合物拉伸性能大幅提升，對于材料高延展性工程應用有重要意義。該研究雖然從實驗和仿真角度驗證了正弦周期較大的手風琴狀結構具有更好的拉伸性能，但并未充分討論結構的幾何參數(shù)對拉伸性能的作用機理，后續(xù)研究可繼續(xù)深入。具有較大正弦周期的手風琴狀結構可提高其拉伸時的能量耗散，那么這類波浪形結構是否能夠提高3D材料的斷裂能從而起到增強韌性的作用，值得實驗和理論驗證。

圖1蜂窩狀六邊形、凹角和箭頭結構的單元細胞(每個單元總長度和高度相等)。

圖2 用于實驗和數(shù)值模擬的網(wǎng)格結構，(a) 箭頭結構鑲嵌細胞材料，(b) 箭頭形和正弦手風琴狀單元細胞，(c) 不同周期的正弦手風琴狀單元細胞。

圖3 不同打印結構的應力應變曲線，(a) 傳統(tǒng)蜂窩結構、凹角結構和箭頭結構，(b) 不同正弦周期的手風琴狀結構。

圖4 3D打印結構在連續(xù)拉伸和壓縮時的能量耗散。

該研究論文以“3D printed accordion-like materials: A design route to achieve ultrastretchability”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing》。

全文鏈接：10.1016/j.addma.2020.101215