深度：3D打印仿生復(fù)合材料研究

作者：:鄭紀豹、王玲
來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

研究背景：
通過模擬自然界中珍珠層、鱷魚皮、烏龜殼等結(jié)構(gòu)可制備多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠克服均質(zhì)材料性能折中效應(yīng)，有效提高材料力學(xué)性能。目前眾多學(xué)者對自然界中復(fù)合材料進行仿生材料制備來改善現(xiàn)有的材料屬性和功能。而3D打印技術(shù)可根據(jù)材料分布需求，通過多噴頭打印實現(xiàn)多材料的分區(qū)打印，為仿生結(jié)構(gòu)的制備提供了新的制備途徑。本文基于Voronoi單元對珍珠貝結(jié)構(gòu)建模，并使用多噴頭打印機制備不同結(jié)構(gòu)的珍珠層結(jié)構(gòu)，并對其能量吸收、材料界面結(jié)合等性能進行研究。

模型建立:
復(fù)合材料每層設(shè)計為Voronoi單元圖案來模擬珍珠貝結(jié)構(gòu)中相鄰薄片的排列，在所建立模型中通過隨機分配種子生成Voronoi單元圖案，通過控制模型參數(shù)控制Voronoi單元圖案中的形狀和尺寸，最終得到不同類型的珍珠貝結(jié)構(gòu)，將每層結(jié)構(gòu)設(shè)置為不同的Voronoi單元圖案，得到最終的珍珠貝三維結(jié)構(gòu)，如圖1-c、1-d所示。

圖1.通過不規(guī)則排列種子產(chǎn)生Voronoi單元

所生成的Voronoi單元存在較小的邊界，如果邊界小于或者等于打印噴嘴直徑，這種段邊界在3D制備過程中會降低復(fù)合材料的成型質(zhì)量，因此對所生成Voronoi單元進行修正，通過刪除短邊界、合并相臨邊、延伸相臨邊的方式修正Voronoi單元，具體操作如圖2所示。

圖2.對于所建立模型及短邊的簡化示意圖

3D打印珍珠貝結(jié)構(gòu)：
基于熔融沉積打印工藝，使用多噴頭打印機制備珍珠貝結(jié)構(gòu)，基體材料為PLA，TPU材料，噴嘴直徑0.4mm，PLA打印溫度為210℃，TPU打印溫度222℃，PLA和TPU打印速度分別為20mm/s和10mm/s，為保證PLA與打印底板的穩(wěn)固粘結(jié)，在第一層打印PLA打印溫度提高至225℃，底板溫度為75℃，制備不同單元結(jié)構(gòu)的120mm×15mm×7mm三點彎曲樣件，如圖3所示，其中圖3-a為單一的PLA材料的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，圖3-b沒有使用Voronoi單元的V型夾層結(jié)構(gòu)，圖3-c、3-d、3-e為不同尺寸Voronoi單元結(jié)構(gòu)。

圖3 制備不同類型的珍珠貝結(jié)構(gòu)

評估不同結(jié)構(gòu)的能量吸收能力：
樣件1在較小的位移下?lián)碛休^大的載荷，樣件2-1和2-2具有不同的力位移曲線，說明樣件2這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與施加載荷的位置有關(guān)，在樣件3到5中，樣件5擁有最大的彎曲載荷，而樣件3和樣件4因PLA在彎曲過程中不能起到較大的作用造成其彎曲載荷較小，簡而言之，樣件3、4為力學(xué)性能相當于一種強度較低的均質(zhì)材料，在所研究結(jié)構(gòu)中能量吸收評價中，樣件5的能量吸收能力最好。

圖 4 能量吸收測試方式及結(jié)果

測試材料界面連接強度：
通過拉伸測試測量PLA與TPU材料界面結(jié)合強度，同時建立材料界面強度有限元模型模擬材料界面結(jié)合失效過程，最終實驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果近似，如圖5所示。

圖5 材料界面連接強度測試

評價：
通過熔融沉積打印的方式制備了多種珍珠貝仿生結(jié)構(gòu)，并對所生成Voronoi單元進行修正改善了打印結(jié)構(gòu)質(zhì)量，通過三點彎曲測試發(fā)現(xiàn)珍珠貝結(jié)構(gòu)降低了材料強度而提高材料的延展性能，通過拉伸測試研究了PLA和TPU界面結(jié)合強度，并建立材料界面的結(jié)合的有限元模型，有限元結(jié)果與實驗結(jié)果相一致，在未來的研究中，可進一步通過3D打印的方式制備更為復(fù)雜的仿生復(fù)合材料，以提高材料力學(xué)性能。

參考文獻：
Ko, Kwonhwan, Jin, Suyeong, Lee, Sang Eon,et al. Bio-inspired bimaterial composite patterned using three-dimensional printing[J]. Composites Part B: Engineering.