4D打印纖維增強熱塑性復合材料的性能表征和有限元分析

供稿人:單存清 王玲
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

4D打印是基于3D打印出現的一項新技術，因其能夠將3D打印出的結構在外界激勵下隨時間發(fā)生形狀或結構變化而廣為人知。目前，基于熔融沉積（fused deposition molding, FDM）工藝的4D打印存在制件力學性能差以及由于材料模型和數值模擬的限制造成的設計精準度差的問題。為了解決以上問題，美國卡內基梅隆大學的研究者設計了一種由聚乳酸（PLA）和碳纖維增強聚乳酸（CFPLA）材料構成的復合結構，以提高4D打印產品的結構強度，并通過材料性能表征，采用有限元分析方法實現了產品設計的精確模擬。

圖1為彎曲單元復合結構的組成示意圖，是由制動塊和約束塊組成的雙層結構，其中，白色為致動塊，由PLA材料打印，沿縱向打��；灰色為約束塊，由CFPLA材料打印，沿橫向打印。彎曲單元打印完成后存在殘余應力，將打印完成的彎曲單元置于PLA玻璃化溫度Tg（80℃）以上環(huán)境中會釋放殘余應力，而縱向打印的制動塊將比橫向打印的約束塊收縮更多，產生的收縮差導致單元的彎曲行為。

圖1. 4D打印彎曲單元的結構設計示意圖

PLA和CFPLA的材料性能通過動態(tài)力學分析（dynamic mechanical analysis, DMA）實驗進行表征，在80℃下對材料進行壓縮、單向拉伸和彎曲測試，利用應力-應變曲線得出材料的超彈性和粘彈性，并考慮了馬林斯效應以解決材料的應力軟化。根據材料性能表征的結果，確定有限元分析（finite element analysis, FEA）模型的材料屬性，并通過實驗與模擬結果的對比得出制動塊和約束塊的殘余應力值。研究者的計算模擬過程考慮殘余應力的釋放和體力的影響，確保了仿真具有較高的精度，對彎曲樣件的實驗與仿真結果對比如圖2所示，誤差約為1%。

圖2. PLA材料和PLA-CFPLA材料樣件的仿真結果與實驗結果對比

最后，以PLA和CFPLA材料，利用有限元仿真，研究者設計并制備了三款4D打印產品。產品（平面結構）采用FDM工藝打印完成，置于80℃環(huán)境中，結構變形成為最終設計產品，如圖3所示為其一專為殘障人士設計的水杯架。但目前使用有限元分析工具進行仿真的時間成本較高，無法實現產品的實時交互式設計。

圖3. 4D打印產品設計和成品

參考文獻：
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).