4D列印纖維增強熱塑性複合材料的性能表徵和有限元分析

2020-11-23 騰訊網

4D列印是基於3D列印出現的一項新技術，因其能夠將3D列印出的結構在外界激勵下隨時間發生形狀或結構變化而廣為人知。目前，基於熔融沉積(fused deposition molding, FDM)工藝的4D列印存在製件力學性能差以及由於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)材料構成的複合結構，以提高4D列印產品的結構強度，並通過材料性能表徵，採用有限元分析方法實現了產品設計的精確模擬。

圖1為彎曲單元複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材料列印，沿縱向列印;灰色為約束塊，由CFPLA材料列印，沿橫向列印。彎曲單元列印完成後存在殘餘應力，將列印完成的彎曲單元置於PLA玻璃化溫度Tg(80℃)以上環境中會釋放殘餘應力，而縱向列印的制動塊將比橫向列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列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力學分析(dynamic mechanical analysis, DMA)實驗進行表徵，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，並考慮了馬林斯效應以解決材料的應力軟化。根據材料性能表徵的結果，確定有限元分析(finite element analysis, FEA)模型的材料屬性，並通過實驗與模擬結果的對比得出制動塊和約束塊的殘餘應力值。研究者的計算模擬過程考慮殘餘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

最後，以PLA和CFPLA材料，利用有限元仿真，研究者設計並製備了三款4D列印產品。產品(平面結構)採用FDM工藝列印完成，置於80℃環境中，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列印產品設計和成品

捷泰技術微信號：只為3D列印愛好者提供最專業的技術和最前沿的科技！

相關焦點

  • 熱固性和熱塑性碳纖維增強複合材料有什麼區別
    江蘇博實科技：複合材料顧名思義是指由兩種或者兩種以上獨立組分材料經複合工藝製成的一種多組分材料，其中，分散相為增強體，連續相為基體。在複合材料中，各組分仍然保持原有性質，但它們之間相互取長補短，使其綜合性能更加完善，構成新一代先進複合材料。
  • 碳纖維增強熱塑性複合材料製品常用成型工藝比較
    PEEK、PI、PPS這類熱塑性樹脂不僅具有較強的耐腐蝕性、耐損傷容限、抗衝擊性和斷裂韌性等突出優勢，還具有受熱軟化熔融，可以反覆利用的特性，以此為基體加上具有高強度、低密度、蠕變小、耐腐蝕等高性能的碳纖維作為增強體，這種碳纖維增強熱塑性複合材料從一面世就迅速成為航天軍工及高端民用領域的應用熱點
  • 【復材資訊】熱固性和熱塑性碳纖維增強複合材料有什麼區別
    在複合材料中，各組分仍然保持原有性質，但它們之間相互取長補短，使其綜合性能更加完善，構成新一代先進複合材料。增強纖維主要有碳纖維（CF）、硼纖維（BF)、凱芙拉縴維（KF)、碳化矽纖維（SF）和氧化鋁纖維（AF）五大類，就綜合性能而言，碳纖維位居五大增強纖維之首。
  • 碳纖維增強熱塑性複合材料幾種常見的界面改性方法
    在實際應用中，有很多因素都會影響到熱塑性碳纖維複合材料的性能表現，其中碳纖維與熱塑性樹脂之間的界面情況就是重要因素之一。碳纖維熱塑性複合材料界面改性的意義：複合材料界面是纖維與樹脂基體之間通過一系列的物理、化學作用形成的第三相。其中，高性能熱塑性樹脂作為連續相，碳纖維作為增強相，它們兩者之間通過界面層結合。
  • 一文看懂連續纖維複合材料的3D列印現狀
    l In-situ consolidation-原位合併：這種工藝類似與熱塑性塑料自動纖維鋪放（AFP）的縮小版本，其中在沉積時將輸入的熱塑性絲束/預浸料帶原位固化。在進料過程中，原料由噴嘴處的外部能源加熱，然後在沉積過程中通過壓力輥放置和固化。
  • 安世亞太分享增材製造的仿真技巧:複合材料有限元仿真計算的應用方法
    複合材料分類 複合材料可以定義為以一種材料為基體，其他材料為增強體，通過一定加工方法組合在一起而形成的一種宏觀（微觀）上新性能的材料，能夠在性能上對單一材料優點進行利用，補短其某些性能不足，產生更好協同效應。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。
  • FRP——纖維增強複合材料
    而實現這一點的，正式我們今天要介紹的主角——纖維增強材料，Fiber Reinforced Plastic，FRP纖維增強複合材料簡介FRP是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合後形成的高性能型材料，常用的FRP主材主要有碳纖維複合材料
  • 陝西非凡士：複合材料3D列印應用
    3D列印中最廣泛使用的碳纖維形式是短切碳纖維絲。有多種短切碳纖維混合物可供選擇，其中包括高溫熱塑性塑料作為基質材料。例如填充有短切碳纖維的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）細絲。然而，將碳纖維引入熱塑性長絲中可以改善其強度和剛度，但是也可能具有負面影響。一組研究人員發現，除了所需的強度外，PEEK-碳纖維複合材料的孔隙率更高，印刷層之間的粘合性更差。另一組發現用於立體光刻的樹脂短切碳纖維具有相似的結果，包括增加了脆性。
  • 【科普知識】一文看懂車用纖維增強熱塑性塑料技術進展
    諸如直接(在線)配料長纖維增強熱塑性塑料(D-LFT)、為改進長纖維增強熱塑性塑料(LFT)模製品表面質量而採取的模具型腔感應加熱、LFT母粒、基於環狀齊聚酯原位聚合的纖維增強複合材料、LFT專用玻璃纖維與表面浸潤劑等新技術不斷湧現。對這些最新的工藝技術進展作一綜述，為開發車用纖維增強熱塑性塑料提供參考。
  • 我國完成人類首次「連續纖維增強複合材料太空3D列印」
    目前，新飛船試驗船返回艙搭載的「複合材料空間3D列印系統」，已自主完成了連續纖維增強複合材料樣件列印，驗證了微重力環境下複合材料3D列印的科學實驗目標。連續纖維增強複合材料是當前國內外太空飛行器結構的主要材料。此次實驗是我國首次「太空3D列印」，也是人類首次「連續纖維增強複合材料太空3D列印」實驗。
  • 【檢測表徵】利用計算機斷層掃描(CT)技術研究複合材料
    根據時間、成本、產品複雜性和所需的安全程度，無損檢測（NDT）技術越來越多的扮演著重要角色。由於許多複合材料產品（無論是消費類產品、運動產品、汽車產品還是航空航天產品）都突破了輕量化和性能的極限，因此深層內部零件檢查對於最終用途安全性、規避風險和業務可持續性變得越來越重要。
  • 天然纖維在複合材料中的增長潛力
    挪威木質纖維素生物質研究所的科學家說：「對塑料垃圾的環境關注，正在推動可持續生物複合材料的發展。在這種複合材料中，木質纖維素纖維增強的生物基塑料是明顯的選擇。木材加工業已經意識到木質纖維素纖維作為塑料和生物塑料的替代品和增強材料的潛力。」
  • 簡述熱塑性增強塑料的性能特點
    不了解塑料的朋友往往會把熱塑性塑料和熱固性塑料混為一談，其實二者差別很大。熱塑性塑料加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反覆進行。聚乙烯、聚丙烯、等都是熱塑性塑料，是物理變化。而熱固性塑料這種變化是不可逆的。
  • 當運動鞋遇上碳纖維/熱塑性複合材料,竟然還有這麼多優點?
    多年來，碳纖維中底板，鐵芯和其他組件一直在提高性能並減輕頂級運動鞋的重量。但是，Carbitex Inc.（美國華盛頓州肯尼威克）的創始人兼董事長Junus Khan解釋說，即使使用複合材料，製鞋開發商在選擇中底板的材料時通常也必須做出妥協。
  • 【復材資訊】採用PA6基體的阻燃熱塑性複合材料
    當燃燒器被移走時，火焰不會蔓延而是熄滅——無論是在載體的表面燃燒還是在其邊緣燃燒Tepex連續纖維增強熱塑性複合材料具有固有的高阻燃性，其中的一個原因是高纖維含量，因此，它們已通過了許多典型應用所要求的無防火保護阻燃性測試。
  • 纖維增強複合材料(英文名:FRP)
    纖維增強複合材料（俗稱：玻璃鋼，英文名：Fiber Reinforced Polymer，簡稱：FRP）是由增強纖維材料（如玻璃纖維
  • 具有良好控制排列的氧化石墨烯複合材料的3D列印
    我們顯示，PLA / GO渦旋纖維和石墨烯含量為0.4 wt％的印花纖維表現出出色的機械性能，強度分別增加了約32.7％和35.2％，這顯著高於具有隨機石墨烯分布的類似納米複合材料，表明聚合物得到了大大改善加固效率。所提出的帶有3D列印框架的滾動纖維可以廣泛地應用於各種2D材料和結構複合材料。
  • 分會場丨複合材料力學性能表徵和檢測技術
    該分會場主題為「複合材料力學性能表徵和檢測技術」，複合材料力學性能表徵和檢測技術貫穿於複合材料的研發、應用、結構設計和服役等過程，該分會場所涉及的試驗和檢測技術是複合材料產業發展的重要基礎技術，多年來一直是相關領域研究人員踴躍交流學習的平臺。
  • 【看點】Asahi Kasei推出新一代玻璃纖維增強聚丙烯(PP)複合材料
    據外媒報導，高性能熱塑性塑料供應商Asahi Kasei（旭化成）不久前推出了Thermylene P11，這是新一代玻璃纖維增強聚丙烯（PP）複合材料系列，擴大了傳統玻璃纖維增強聚丙烯設計的性能範圍，為汽車內外飾部件的薄壁成型開闢了新的路徑。
  • 關於熱塑性碳纖維複合材料的幾個冷知識
    1.熱塑性碳纖維複合材料有哪些種類？碳纖維熱塑性複合材料是以碳纖維為增強材料，以熱塑性樹脂為基體的複合材料。從碳纖維的增強方式看，可分為長切碳纖維(LCF)增強熱塑性複合材料、短切碳纖維(SCF)增強熱塑性複合材料和連續碳纖維(CCF)增強熱塑性複合材料。