3D打印手风琴状材料：实现超拉伸性的设计途径

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，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，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。

文章来源：高分子材料力学性能