4D打印纤维增强热塑性复合材料的性能表征和有限元分析

供稿人:单存清 王玲
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

4D打印是基于3D打印出现的一项新技术，因其能够将3D打印出的结构在外界激励下随时间发生形状或结构变化而广为人知。目前，基于熔融沉积（fused deposition molding, FDM）工艺的4D打印存在制件力学性能差以及由于材料模型和数值模拟的限制造成的设计精准度差的问题。为了解决以上问题，美国卡内基梅隆大学的研究者设计了一种由聚乳酸（PLA）和碳纤维增强聚乳酸（CFPLA）材料构成的复合结构，以提高4D打印产品的结构强度，并通过材料性能表征，采用有限元分析方法实现了产品设计的精确模拟。

图1为弯曲单元复合结构的组成示意图，是由制动块和约束块组成的双层结构，其中，白色为致动块，由PLA材料打印，沿纵向打印；灰色为约束块，由CFPLA材料打印，沿横向打印。弯曲单元打印完成后存在残余应力，将打印完成的弯曲单元置于PLA玻璃化温度Tg（80℃）以上环境中会释放残余应力，而纵向打印的制动块将比横向打印的约束块收缩更多，产生的收缩差导致单元的弯曲行为。

图1. 4D打印弯曲单元的结构设计示意图

PLA和CFPLA的材料性能通过动态力学分析（dynamic mechanical analysis, DMA）实验进行表征，在80℃下对材料进行压缩、单向拉伸和弯曲测试，利用应力-应变曲线得出材料的超弹性和粘弹性，并考虑了马林斯效应以解决材料的应力软化。根据材料性能表征的结果，确定有限元分析（finite element analysis, FEA）模型的材料属性，并通过实验与模拟结果的对比得出制动块和约束块的残余应力值。研究者的计算模拟过程考虑残余应力的释放和体力的影响，确保了仿真具有较高的精度，对弯曲样件的实验与仿真结果对比如图2所示，误差约为1%。

图2. PLA材料和PLA-CFPLA材料样件的仿真结果与实验结果对比

最后，以PLA和CFPLA材料，利用有限元仿真，研究者设计并制备了三款4D打印产品。产品（平面结构）采用FDM工艺打印完成，置于80℃环境中，结构变形成为最终设计产品，如图3所示为其一专为残障人士设计的水杯架。但目前使用有限元分析工具进行仿真的时间成本较高，无法实现产品的实时交互式设计。

图3. 4D打印产品设计和成品

参考文献：
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).