3D打印手风琴状材料：实现超可伸缩性的设计路线

来源：江苏激光联盟

导读：脆性聚合物缺乏拉伸性，这限制了它们在需要大变形时的应用。

可拉伸的材料在电子设备、软机器人、药物输送系统等应用领域越来越重要。拉伸性的提高使材料更具延展性，并可能具有更高的耐损伤性，从而使工程师可以设计出承受较大变形的耐用结构。高拉伸材料的设计和制造通常选择两条路线：（1）使用弹性体和水凝胶作为基础材料或（2）工程基础体系结构（从纳米到尺度）。该研究侧重于后一种方法，即使用3D打印和计算建模来定制蜂窝多孔材料的参数，并设计一种新型轻质材料，该材料具有正弦形支柱，允许脆性和柔性聚合物具有高拉伸性。

通过在电子设备中引入手风琴状设计，已经发现在保持电导率的同时，拉伸性可以增加30%。最简单的手风琴状材料之一是箭头或双V建筑（图1(a)所示）。与传统的六边形蜂窝体相比，这种结构可以在平面内拉伸性方面产生小的改善，同时提供可调的刚度和泊松比特性。

图1.（a）六角形，凹形和箭头形单元的示意图；（b）不同相对密度变化的不同结构单元的均质刚度。

常规多孔材料中常见的尖角会限制其拉伸强度和可拉伸性。然而，这种限制可以通过避免其中尖角使用蜂窝架构来克服。增材制造技术的最新发展促进了此类架构的设计，增材制造技术为具有自由形式和复杂架构的产品的制造提供了几何和材料选择的灵活性。在过去几年里，增材制造技术的精确度一直在提高，然而，不符合设计的竣工产品（例如表面波纹、定位误差、收缩和基于应力的变形以及最终产品中的孔隙）在3D打印产品中仍然是不可避免的。

在这项研究中，作者提出了一种新颖的类似手风琴的设计，可以在不牺牲3D打印传统蜂窝结构重量的情况下提高其可拉伸性。3D打印样品经过单轴测试，并对其拉伸性进行比较，以显示蜂窝状固体底层结构的合理设计如何导致超可拉伸轻质材料的开发，即使是由脆性聚合物制成。

由于六边形和手风琴状结构的宽度相对较窄，支柱仅由外墙构成，即使100％填充用于FDM 3D打印，也不包含额外的填充物。本实验中所有研究结构打印方向始终沿手风琴状（或蜂窝状）支柱的方向进行，而与零件在打印床上的方向无关，大部分零件都以45°定向。图2所示的狗骨头3D打印样品来测试两种聚合物的机械性能并给出了根据美国材料试验学会D638标准进行的拉伸试验的结果。

图2. 甲基丙烯酸酯(脆性)光聚合物和尼龙(柔性)热塑性聚合物的3D印刷狗骨样品拉伸试验的应力-应变曲线。

图3. 建筑蜂窝状材料的示意图:(a)镶嵌蜂窝状材料，(b)箭头和正弦手风琴状单元，以及(c)正弦手风琴状单元，用于替代值n

图4. 三维印刷建筑蜂窝结构的应力-应变曲线:(a)蜂窝和箭头结构和(b)正弦手风琴状结构

本文来源：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042030587X