3D打印仿生缝合结构的断裂特性分析

作者：安晟斐，朱忠猛
来源：高分子材料力学性能

发展兼具高强度和高韧性的工程材料对航空航天等各工程领域具有重要意义。存在于头骨、背甲等位置的轻量化仿生缝合结构可通过控制裂纹扩展路径提高韧性，能有效调和强度和韧性间的矛盾。3D打印技术为进一步研究仿生缝合结构的断裂性能提供了高效的手段。来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Phuong Tran团队使用数字图像相关技术（DIC）和数值模拟的方法，对3D打印缝合结构在紧凑拉伸工况下的裂尖应力应变分布和断裂韧性进行了研究。

本文使用3D打印热塑性材料聚乳酸（PLA）材料，选择45°/-45°打印方向以获取更高的拉伸强度。固定a:b=1:1.8（图1），将不同大小的缝合结构制成紧凑拉伸试样（图2），开展紧凑拉伸实验研究。

图1 缝合结构示意图

图2 不同大小的缝合结构紧凑拉伸试样

紧凑拉伸实验结果表明，相同界面长度下，增加缝合点数量可增强结构的韧性，但由于缝合点尺寸小，应力集中在缝合颈部，在较短位移下即发生断裂（图3）。同时DIC结果显示靠近预制裂纹的缝合点处于拉伸状态，远离裂纹的缝合点处于压缩状态（图4）。利用数值模拟的方法发现缝合点数量越多，结构所储存的应变能越少，容易在较短位移下发生断裂（图5）。随后本文分析了互锁角度对缝合结构紧凑拉伸模拟结果的影响。结果显示，减小互锁角度会减小互锁点接触面积，从而降低缝合结构的强度（图6）。

图3 不同大小缝合结构的紧凑拉伸实验及结果

图4 S1的DIC实验结果

图5 不同大小缝合结构在紧凑拉伸模拟下的总应变能和塑性能耗散

图6 不同大小、不同互锁角度缝合结构的紧凑拉伸模拟结果

本文结合实验和数值模拟方法，研究了不同大小、不同互锁角度的缝合结构在紧凑拉伸工况下的断裂性能，发现通过改变缝合点的数量可以显著调控结构的断裂性能。本文对单层缝合结构的断裂性能研究较为系统，后续可考虑增加层级，并分析材料黏弹性对结构断裂性能的影响。

该文章以“Analysing fracture properties of bio-inspired 3D printed suture structures”为题，发表于Thin-Walled Structures。

全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109317