4D打印纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)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(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4D打印是基于3D打印出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，因其能夠?qū)?D打印出的結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下隨時(shí)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(xué)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(jì)精準(zhǔn)度差的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者設(shè)計(jì)了一種由聚乳酸（PLA）和碳纖維增強(qiáng)聚乳酸（CFPLA）材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以提高4D打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并通過(guò)材料性能表征，采用有限元分析方法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確模擬。

圖1為彎曲單元復(fù)合結(jié)構(gòu)的組成示意圖，是由制動(dòng)塊和約束塊組成的雙層結(jié)構(gòu)，其中，白色為致動(dòng)塊，由PLA材料打印，沿縱向打印；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(yīng)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(huì)釋放殘余應(yīng)力，而縱向打印的制動(dòng)塊將比橫向打印的約束塊收縮更多，產(chǎn)生的收縮差導(dǎo)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(jì)示意圖

PLA和CFPLA的材料性能通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（dynamic mechanical analysis, DMA）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征，在80℃下對(duì)材料進(jìn)行壓縮、單向拉伸和彎曲測(cè)試，利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出材料的超彈性和粘彈性，并考慮了馬林斯效應(yīng)以解決材料的應(yīng)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(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比得出制動(dòng)塊和約束塊的殘余應(yīng)力值。研究者的計(jì)算模擬過(guò)程考慮殘余應(yīng)力的釋放和體力的影響，確保了仿真具有較高的精度，對(duì)彎曲樣件的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

最后，以PLA和CFPLA材料，利用有限元仿真，研究者設(shè)計(jì)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(jì)產(chǎn)品，如圖3所示為其一專為殘障人士設(shè)計(jì)的水杯架。但目前使用有限元分析工具進(jìn)行仿真的時(shí)間成本較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)交互式設(shè)計(jì)。

圖3. 4D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)和成品

參考文獻(xiàn)：
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).