3D打印手风琴状材料：实现超拉伸性的设计途径

来源：高分子材料力学性能

可伸缩材料被广泛应用于软机器人、电子设备等领域。为了设计出能够经受大变形的耐用结构，需要提升可伸缩材料的拉伸性能以及抗损伤能力。利用现有增材制造(3D打印)技术可设计制造具有复杂几何形状的构件，引入内部结构可调控材料的整体力学性能(如刚度、强度、韧性)。

麦吉尔大学A. H. Akbarzadeh教授团队通过引入一种手风琴状结构，实现了脆性聚合物延展性的增强。首先，研究人员设计了多个体系结构(如图1、图2所示，包括传统蜂窝结构、凹角结构、箭头结构和正弦手风琴状结构)，通过立体光刻(SLA)和熔融沉积成型(FDM)制作了对应的甲基丙烯酸酯聚合物试样(脆性)和尼龙试样(柔性)，并进行拉伸实验来评估不同试样的拉伸性能。为了更好地理解不同结构在准静态单轴拉伸下的变形机制，进行了有限元分析。

实验结果表明(如图3所示)，脆性聚合物材料通过改变手风琴状结构的正弦周期(n值)，可以调控结构的整体刚度。较大的n值可以获得更高延展性，在相同质量的情况下，n为3的手风琴状结构的破坏应变可达传统蜂巢结构的20倍。柔性尼龙材料(如图4所示)在一定应力范围(±1.3MPa)内经受拉压循环加载时，正弦手风琴状结构的能量耗散远高于传统蜂窝结构，手风琴状结构在抵抗循环载荷破坏时具有一定优势。仿真结果也表明，正弦形单元细胞可以有效地降低结构内应力。

该研究从结构设计出发，详细地讨论了蜂窝结构和手风琴状结构等内部特征对材料拉伸性能的影响。所设计的手风琴状结构实现了脆性聚合物拉伸性能大幅提升，对于材料高延展性工程应用有重要意义。该研究虽然从实验和仿真角度验证了正弦周期较大的手风琴状结构具有更好的拉伸性能，但并未充分讨论结构的几何参数对拉伸性能的作用机理，后续研究可继续深入。具有较大正弦周期的手风琴状结构可提高其拉伸时的能量耗散，那么这类波浪形结构是否能够提高3D材料的断裂能从而起到增强韧性的作用，值得实验和理论验证。

图1蜂窝状六边形、凹角和箭头结构的单元细胞(每个单元总长度和高度相等)。

图2 用于实验和数值模拟的网格结构，(a) 箭头结构镶嵌细胞材料，(b) 箭头形和正弦手风琴状单元细胞，(c) 不同周期的正弦手风琴状单元细胞。

图3 不同打印结构的应力应变曲线，(a) 传统蜂窝结构、凹角结构和箭头结构，(b) 不同正弦周期的手风琴状结构。

图4 3D打印结构在连续拉伸和压缩时的能量耗散。

该研究论文以“3D printed accordion-like materials: A design route to achieve ultrastretchability”为题发表在《Additive Manufacturing》。

全文链接：10.1016/j.addma.2020.101215