3D打印仿生縫合結構的斷裂特性分析

作者：安晟斐，朱忠猛
來源：高分子材料力學性能

發(fā)展兼具高強度和高韌性的工程材料對航空航天等各工程領域具有重要意義。存在于頭骨、背甲等位置的輕量化仿生縫合結構可通過控制裂紋擴展路徑提高韌性，能有效調和強度和韌性間的矛盾。3D打印技術為進一步研究仿生縫合結構的斷裂性能提供了高效的手段。來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Phuong Tran團隊使用數(shù)字圖像相關技術（DIC）和數(shù)值模擬的方法，對3D打印縫合結構在緊湊拉伸工況下的裂尖應力應變分布和斷裂韌性進行了研究。

本文使用3D打印熱塑性材料聚乳酸（PLA）材料，選擇45°/-45°打印方向以獲取更高的拉伸強度。固定a:b=1:1.8（圖1），將不同大小的縫合結構制成緊湊拉伸試樣（圖2），開展緊湊拉伸實驗研究。

圖1 縫合結構示意圖

圖2 不同大小的縫合結構緊湊拉伸試樣

緊湊拉伸實驗結果表明，相同界面長度下，增加縫合點數(shù)量可增強結構的韌性，但由于縫合點尺寸小，應力集中在縫合頸部，在較短位移下即發(fā)生斷裂（圖3）。同時DIC結果顯示靠近預制裂紋的縫合點處于拉伸狀態(tài)，遠離裂紋的縫合點處于壓縮狀態(tài)（圖4）。利用數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)縫合點數(shù)量越多，結構所儲存的應變能越少，容易在較短位移下發(fā)生斷裂（圖5）。隨后本文分析了互鎖角度對縫合結構緊湊拉伸模擬結果的影響。結果顯示，減小互鎖角度會減小互鎖點接觸面積，從而降低縫合結構的強度（圖6）。

圖3 不同大小縫合結構的緊湊拉伸實驗及結果

圖4 S1的DIC實驗結果

圖5 不同大小縫合結構在緊湊拉伸模擬下的總應變能和塑性能耗散

圖6 不同大小、不同互鎖角度縫合結構的緊湊拉伸模擬結果

本文結合實驗和數(shù)值模擬方法，研究了不同大小、不同互鎖角度的縫合結構在緊湊拉伸工況下的斷裂性能，發(fā)現(xiàn)通過改變縫合點的數(shù)量可以顯著調控結構的斷裂性能。本文對單層縫合結構的斷裂性能研究較為系統(tǒng)，后續(xù)可考慮增加層級，并分析材料黏彈性對結構斷裂性能的影響。

該文章以“Analysing fracture properties of bio-inspired 3D printed suture structures”為題，發(fā)表于Thin-Walled Structures。

全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109317