3D打印手風琴狀材料：實現(xiàn)超可伸縮性的設計路線

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：脆性聚合物缺乏拉伸性,，這限制了它們在需要大變形時的應用,。

可拉伸的材料在電子設備,、軟機器人、藥物輸送系統(tǒng)等應用領域越來越重要,。拉伸性的提高使材料更具延展性,，并可能具有更高的耐損傷性，從而使工程師可以設計出承受較大變形的耐用結構,。高拉伸材料的設計和制造通常選擇兩條路線：（1）使用彈性體和水凝膠作為基礎材料或（2）工程基礎體系結構（從納米到尺度）,。該研究側重于后一種方法，即使用3D打印和計算建模來定制蜂窩多孔材料的參數(shù),，并設計一種新型輕質材料,，該材料具有正弦形支柱，允許脆性和柔性聚合物具有高拉伸性,。

通過在電子設備中引入手風琴狀設計,，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在保持電導率的同時，拉伸性可以增加30%,。最簡單的手風琴狀材料之一是箭頭或雙V建筑（圖1(a)所示）,。與傳統(tǒng)的六邊形蜂窩體相比，這種結構可以在平面內拉伸性方面產(chǎn)生小的改善,，同時提供可調的剛度和泊松比特性,。

圖1.（a）六角形，凹形和箭頭形單元的示意圖,；（b）不同相對密度變化的不同結構單元的均質剛度,。

常規(guī)多孔材料中常見的尖角會限制其拉伸強度和可拉伸性。然而,，這種限制可以通過避免其中尖角使用蜂窩架構來克服,。增材制造技術的最新發(fā)展促進了此類架構的設計,，增材制造技術為具有自由形式和復雜架構的產(chǎn)品的制造提供了幾何和材料選擇的靈活性。在過去幾年里,，增材制造技術的精確度一直在提高,，然而，不符合設計的竣工產(chǎn)品（例如表面波紋,、定位誤差,、收縮和基于應力的變形以及最終產(chǎn)品中的孔隙）在3D打印產(chǎn)品中仍然是不可避免的。

在這項研究中,，作者提出了一種新穎的類似手風琴的設計,，可以在不犧牲3D打印傳統(tǒng)蜂窩結構重量的情況下提高其可拉伸性。3D打印樣品經(jīng)過單軸測試,，并對其拉伸性進行比較,，以顯示蜂窩狀固體底層結構的合理設計如何導致超可拉伸輕質材料的開發(fā)，即使是由脆性聚合物制成,。

由于六邊形和手風琴狀結構的寬度相對較窄,，支柱僅由外墻構成，即使100％填充用于FDM 3D打印,，也不包含額外的填充物,。本實驗中所有研究結構打印方向始終沿手風琴狀（或蜂窩狀）支柱的方向進行，而與零件在打印床上的方向無關,，大部分零件都以45°定向,。圖2所示的狗骨頭3D打印樣品來測試兩種聚合物的機械性能并給出了根據(jù)美國材料試驗學會D638標準進行的拉伸試驗的結果。

圖2. 甲基丙烯酸酯(脆性)光聚合物和尼龍(柔性)熱塑性聚合物的3D印刷狗骨樣品拉伸試驗的應力-應變曲線,。

圖3. 建筑蜂窩狀材料的示意圖:(a)鑲嵌蜂窩狀材料,，(b)箭頭和正弦手風琴狀單元，以及(c)正弦手風琴狀單元,，用于替代值n

圖4. 三維印刷建筑蜂窩結構的應力-應變曲線:(a)蜂窩和箭頭結構和(b)正弦手風琴狀結構

本文來源：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042030587X