劉少崗，李日中，王心悅，邱丹丹

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

4D打印的概念由斯凱拉·蒂比茨首次在2013年的TED大會(huì)上提出[1]。4D打印是結(jié)合了3D打印技術(shù)和智能材料的一種智能結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)[2]，其不需要模具就可以制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)[3]，與3D打印的最大區(qū)別是當(dāng)給4D打印結(jié)構(gòu)一個(gè)特定的刺激(如電、熱、光、磁、力等)時(shí)，它的形狀、性質(zhì)或功能隨時(shí)間發(fā)生變化[4]。智能材料是4D打印的關(guān)鍵組成部分，通常具有自感知、決策、響應(yīng)、形狀記憶、自適應(yīng)、多功能性、自修復(fù)等性能[5]。借助智能材料本身的特性，當(dāng)打印模型受到刺激時(shí)，其形狀或體積可以發(fā)生改變，從而獲得4D物體[6]。例如，形狀記憶聚合物可以通過暴露在不同刺激下動(dòng)態(tài)改變其形狀[7]?？捎糜?D打印的形狀記憶聚合物材料有：聚乳酸(PLA)[8]、聚氨酯[9]、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠[10]、丙烯酸叔丁酯-脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯[11]等，其中PLA材料最為常用。PLA形狀記憶聚合物可以通過在其溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)施加外部力來對(duì)臨時(shí)形狀進(jìn)行賦形[12]，當(dāng)變形材料溫度降至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，模型可以被固定在新的狀態(tài)。模型的形狀可以通過重新加熱到高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來恢復(fù)[13]。

形狀記憶聚合物通常由熔融沉積成型技術(shù)(FDM)進(jìn)行3D打印[14]。FDM是最流行的3D打印技術(shù)之一[15]，通常用于工業(yè)應(yīng)用，用于生產(chǎn)零件、原型、工具和模具[16]。

PLA形狀記憶聚合物FDM打印時(shí)的工藝參數(shù)是影響PLA模型形狀記憶特性的重要因素。國內(nèi)外相關(guān)文章研究了某些工藝參數(shù)對(duì)PLA材料形狀記憶特性的影響，且相關(guān)的研究主要以實(shí)驗(yàn)為主，例如：Abuzaid等[17]研究了沉積方向與不同形狀對(duì)4D打印模型特性的影響，其中對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的研究表明沉積方向的不同會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能與機(jī)械性能發(fā)生變化。Wang等[18]研究了噴嘴溫度對(duì)模型恢復(fù)時(shí)間的影響，結(jié)果顯示噴嘴溫度的增加會(huì)縮短模型的形狀恢復(fù)時(shí)間。Pivar等[19]研究了恢復(fù)溫度對(duì)模型恢復(fù)特性的影響，結(jié)果表明恢復(fù)溫度越低，形狀恢復(fù)所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，并且在較高的恢復(fù)溫度下，熱膨脹系數(shù)較高。綜上，對(duì)于PLA形狀記憶聚合物FDM打印時(shí)工藝參數(shù)與PLA模型形狀記憶特性的規(guī)律性研究較為缺乏，二者之間并沒有建立起很好的聯(lián)系。針對(duì)于PLA材料工藝參數(shù)對(duì)形狀恢復(fù)特性的影響規(guī)律還需進(jìn)一步擴(kuò)充和總結(jié)。

現(xiàn)有研究中針對(duì)頂層與底層數(shù)、模型厚度、模型彎曲程度、賦形溫度等工藝參數(shù)對(duì)PLA形狀記憶特性影響的研究較少。筆者使用FDM工藝對(duì)PLA模型進(jìn)行打印，通過改變打印模型的頂層與底層數(shù)、填充率、模型厚度、模型彎曲程度、模型打印方向、賦形溫度的參數(shù)值來研究各參數(shù)對(duì)PLA材料形狀記憶特性的影響，分析模型形狀恢復(fù)率與形狀恢復(fù)時(shí)間的結(jié)果作為評(píng)價(jià)各項(xiàng)參數(shù)的影響依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PLA絲材：卷絲，直徑1.75 mm，密度為(1.25±0.05) g/cm3，深圳市創(chuàng)想三維科技有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

FDM桌面級(jí)3D打印機(jī)：Ender-3型，深圳市創(chuàng)想三維科技有限公司；

鍍鉻游標(biāo)量角器：可測(cè)量角度范圍為0～360°，上海量具刃具廠；

計(jì)時(shí)秒表：833型，亞速旺(上海)商貿(mào)有限公司。

1.3 試樣制備

使用Solid Works軟件進(jìn)行3D打印模型的三維構(gòu)建。隨后將STL格式的三維模型文件導(dǎo)入到Creality Slicer軟件以完成對(duì)三維模型的切片分層，為每一層創(chuàng)建相應(yīng)的噴頭路徑程序。打印機(jī)通過讀取該程序移動(dòng)打印噴頭對(duì)三維模型進(jìn)行層層堆積。模型件的制造使用了開放式3D打印機(jī)Ender-3。該3D打印機(jī)以熔融沉積成型技術(shù)為基礎(chǔ)，配有打印機(jī)架、直徑0.4 mm的打印噴嘴和內(nèi)置加熱板的打印平臺(tái)。模型規(guī)格設(shè)計(jì)成長(zhǎng)50 mm、寬10 mm、厚3 mm的長(zhǎng)方體，以便觀察模型各個(gè)方向上的變化。此外，模型厚度也是本研究進(jìn)行探究的一個(gè)重要參數(shù)，故另對(duì)厚度為4，5，6，7 mm的模型進(jìn)行了打印，以便探究模型厚度對(duì)形狀記憶特性的影響。模型形狀如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中通過改變各種工藝參數(shù)的數(shù)值可得到各項(xiàng)參數(shù)與模型形狀恢復(fù)的關(guān)系，見表1。

表1 工藝參數(shù)取值

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

通過實(shí)驗(yàn)研究了頂層與底層數(shù)、填充率、模型厚度、模型彎曲程度、模型打印方向、賦形溫度對(duì)PLA模型形狀記憶特性的影響，以模型形狀恢復(fù)率與形狀恢復(fù)時(shí)間作為評(píng)價(jià)依據(jù)，為支持4D打印工藝參數(shù)的研究提供依據(jù)、方法支撐和實(shí)驗(yàn)支持。實(shí)驗(yàn)所用模型均通過Ender-3打印機(jī)進(jìn)行打印，對(duì)模型使用的刺激方式為水浴加熱，通過將模型置于溫度高于PLA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱水中，刺激模型發(fā)生軟化，此時(shí)，通過借助模具將模型彎曲指定角度以完成對(duì)模型的臨時(shí)賦形；賦形維持1 min后去除模型熱刺激以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的冷卻；模型冷卻時(shí)間持續(xù)1 min，隨后去除作用在模型上的各向力，維持模型在無外力狀態(tài)下1 min；當(dāng)再次將模型置于熱環(huán)境時(shí)，模型開始進(jìn)行形狀恢復(fù)過程，當(dāng)恢復(fù)完成后，通過測(cè)量模型恢復(fù)后的角度可得到模型的形狀恢復(fù)率。實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)每項(xiàng)工藝參數(shù)的研究均進(jìn)行了3次彎曲恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)每項(xiàng)工藝參數(shù)的形狀恢復(fù)率與形狀恢復(fù)時(shí)間結(jié)果進(jìn)行形狀記憶特性影響分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程

1.5 測(cè)試與表征

利用游標(biāo)量角器測(cè)量PLA模型形狀恢復(fù)完成后的彎曲角度，對(duì)每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量3次后取均值，通過計(jì)算恢復(fù)角度與賦形時(shí)角度的比值來確定模型的形狀恢復(fù)率。模型的形狀恢復(fù)率根據(jù)被賦形角度的恢復(fù)情況來進(jìn)行計(jì)算，即形狀恢復(fù)過程中恢復(fù)的角度對(duì)賦形角度的占比：

式中：θs表示模型的賦形角度，θf表示模型形狀恢復(fù)完成后的角度。

利用計(jì)時(shí)秒表對(duì)PLA模型形狀恢復(fù)過程的用時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)。

2 形狀記憶結(jié)果與討論

2.1 頂層與底層數(shù)的影響

頂層與底層數(shù)指的是相對(duì)于打印模型高度方向在模型頂層與底層所打印的層數(shù)，打印模型的頂層數(shù)與底層數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)中在保證其他工藝參數(shù)不變的基礎(chǔ)上(參數(shù)設(shè)置分別為：填充率設(shè)為30%、模型厚度為3 mm、模型彎曲程度為180°、模型打印方向?yàn)槠绞酱蛴?、賦形溫度設(shè)置為85 ℃)對(duì)打印模型頂層與底層數(shù)進(jìn)行了選擇，頂層與底層數(shù)分別設(shè)置為2層、5層、8層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，頂層與底層數(shù)對(duì)PLA模型形狀記憶特性的影響如圖3a、圖3b所示，頂層與底層數(shù)的增加使得PLA模型形狀恢復(fù)率升高(層數(shù)8層時(shí)相對(duì)于2層恢復(fù)率可提高11%，即恢復(fù)角度可提高20°)，且保持一個(gè)穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。其原因可以理解為頂層與底層材料的增加使得模型頂部與底部?jī)?chǔ)存的非彈性應(yīng)變?cè)黾樱搼?yīng)變可在形狀恢復(fù)的過程中實(shí)現(xiàn)自由應(yīng)變恢復(fù)，從而保證了模型形狀更好地恢復(fù)；同時(shí)，頂層與底層數(shù)的增加也延長(zhǎng)了模型形狀恢復(fù)所需要的時(shí)間。

圖3 頂層與底層數(shù)恢復(fù)效果圖

2.2 填充率的影響

填充率指的是模型中間部分的打印密度，填充率越高，本層材料的附著密度越高。討論了三種填充率(20%，50%，80%)對(duì)PLA模型形狀記憶特性的影響。其余幾項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置分別為：頂層與底層數(shù)設(shè)為5層、模型厚度為3 mm、模型彎曲程度為180°、模型打印方向?yàn)槠绞酱蛴?、賦形溫度設(shè)置為85 ℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填充率的影響如圖4a、圖4b所示，填充率的增加促使了模型形狀恢復(fù)率的增長(zhǎng)，當(dāng)填充率高于50%時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩，模型填充率為80%時(shí)恢復(fù)角度相對(duì)于20%填充時(shí)最大可提高13°。作為模型頂、底兩層的中間部分，很大程度上決定了模型的形狀恢復(fù)性能，填充率越高，填充部分材料的堆積密度越大，該部分所能儲(chǔ)存的非彈性應(yīng)變也會(huì)相應(yīng)增加，模型的形狀恢復(fù)也會(huì)更好。同樣，填充率的增加也延長(zhǎng)了模型形狀恢復(fù)的時(shí)間，Villacres等[20]在研究中也得到相同結(jié)論。

圖4 填充率恢復(fù)效果圖

2.3 模型厚度的影響

模型厚度指的是模型相對(duì)于打印機(jī)打印平臺(tái)的豎直高度。討論了五種模型厚度(3，4，5，6，7 mm)對(duì)PLA模型形狀記憶特性影響。其余幾項(xiàng)參數(shù)設(shè)置分別為：頂層與底層數(shù)均設(shè)為5層、填充率為30%、模型彎曲程度為180°、模型打印方向?yàn)槠绞酱蛴?、賦形溫度設(shè)置為85 ℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模型厚度的影響如圖5a、圖5b所示，模型形狀恢復(fù)率隨厚度的增加呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，在模型厚度到達(dá)5 mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)的形狀恢復(fù)率，為89.89%，在厚度為3 mm時(shí)形狀恢復(fù)率最低。從模型厚度與形狀恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系來看，模型厚度的增加延長(zhǎng)了形狀恢復(fù)時(shí)間，且以一個(gè)較為穩(wěn)定的趨勢(shì)增長(zhǎng)。

圖5 模型厚度恢復(fù)效果圖

2.4 模型彎曲程度的影響

模型彎曲程度指的是模型彎曲賦形后相對(duì)于初始形狀的彎曲角度。討論了三種彎曲角度(90°，130°，180°)對(duì)PLA模型形狀記憶特性影響，其余幾項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置分別為：頂層與底層數(shù)為5層、填充率為30%、模型厚度為3 mm、模型打印方向?yàn)槠绞酱蛴　①x形溫度設(shè)置為85 ℃。三種模型彎曲角度如圖6所示。模型彎曲程度對(duì)模型形狀記憶特性的影響結(jié)果如圖7a、圖7b所示，模型彎曲程度的增大會(huì)降低模型恢復(fù)率，這可以理解為模型的彎曲程度越大，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞就越大，致使形狀記憶性能減弱，但影響效果并不明顯(其中，彎曲90°時(shí)存在最高恢復(fù)率90%，彎曲180°時(shí)存在最低恢復(fù)率88.06%，二者相差不到2%，即回復(fù)角度相差不到4°)。從模型彎曲程度與形狀恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系來看，模型的彎曲程度越大，所需要的恢復(fù)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地延長(zhǎng)。當(dāng)模型彎曲180°時(shí)恢復(fù)時(shí)間需比彎曲90°的恢復(fù)用時(shí)多6.3 s。

圖6 三種模型彎曲角度

圖7 模型彎曲程度恢復(fù)效果圖

2.5 模型打印方向的影響

模型打印方向指的是打印時(shí)根據(jù)模型不同擺放方式進(jìn)行打印。筆者通過三種方式(平式打印、側(cè)式打印、立式打印)對(duì)PLA模型進(jìn)行打印，其余幾項(xiàng)參數(shù)設(shè)置分別為：頂層與底層數(shù)為5層、填充率為30%、模型厚度為3 mm、模型彎曲程度為180°、賦形溫度設(shè)置為85 ℃，圖8顯示了模型三種打印方向。

圖8 三種打印方向

模型打印方向?qū)δＰ托螤钣洃浱匦缘挠绊懡Y(jié)果如圖9a、圖9b所示，三種打印方向中，側(cè)式打印所表現(xiàn)出的形狀恢復(fù)效果最好，其次，立式打印比平式打印顯示出稍好的形狀恢復(fù)率。而從恢復(fù)時(shí)間來看，平式打印的模型恢復(fù)過程用時(shí)最少，立式打印的模型形狀恢復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)。

圖9 模型打印方向恢復(fù)效果圖

2.6 賦形溫度的影響

賦形溫度指的是模型在高溫賦形過程中所處的熱環(huán)境溫度。討論了三種賦形溫度(65，75，85 ℃)對(duì)PLA模型形狀記憶特性的影響，其余幾項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置分別為：頂層與底層數(shù)為5層、填充率為30%、模型厚度為3 mm、模型彎曲程度為180°、模型打印方向?yàn)槠绞酱蛴?。圖10顯示了模型在不同賦形溫度下的形狀恢復(fù)過程。開始時(shí)，賦形溫度越高，模型恢復(fù)越快。從模型整體恢復(fù)過程來看，開始時(shí)三種賦形溫度下的模型均會(huì)以較高的速率進(jìn)行角度的恢復(fù)，一段時(shí)間后趨于平緩，直至模型完成恢復(fù)過程。從圖中可以看出，賦形溫度的變化對(duì)模型的恢復(fù)時(shí)間影響不大；但是從模型的恢復(fù)程度來看，賦形溫度的升高在一定程度上降低了PLA模型形狀恢復(fù)率，這與Wu等[21]的研究具有相似的結(jié)論。

圖10 不同賦形溫度下模型的恢復(fù)

3 結(jié)論

通過改變頂層與底層數(shù)、填充率、模型厚度、模型彎曲程度、模型打印方向、賦形溫度的參數(shù)值來研究各項(xiàng)參數(shù)對(duì)PLA模型形狀記憶特性的影響。模型形狀恢復(fù)率與形狀恢復(fù)時(shí)間作為影響的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 頂層與底層數(shù)、填充率的升高均會(huì)提高PLA模型的形狀恢復(fù)率(層數(shù)8層時(shí)相對(duì)于2層恢復(fù)角度可提高20°；填充率80%時(shí)相對(duì)于20%恢復(fù)角度可提高13°)，但是模型的形狀恢復(fù)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。

(2) 通過對(duì)不同厚度的模型進(jìn)行彎曲賦形，結(jié)果表明模型厚度的增加使得PLA模型的形狀恢復(fù)率表現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)(厚度5 mm時(shí)恢復(fù)率最高，為89.89%)，而形狀恢復(fù)時(shí)間隨模型厚度的增加會(huì)一直延長(zhǎng)。

(3) 模型的彎曲程度對(duì)PLA模型的形狀恢復(fù)率影響較小，但是模型恢復(fù)時(shí)間會(huì)隨彎曲程度的增大而延長(zhǎng)(彎曲180°的恢復(fù)時(shí)間需比彎曲90°的恢復(fù)用時(shí)多6.3 s)。

(4) 模型打印方向?qū)е铝诵螤罨謴?fù)率的變化，側(cè)式打印恢復(fù)率最高，平式打印最低；但在形狀恢復(fù)時(shí)立式打印用時(shí)最長(zhǎng)，而平式打印的用時(shí)最短。

(5) 賦形溫度的升高會(huì)降低模型的形狀恢復(fù)率，但是對(duì)形狀恢復(fù)時(shí)間的影響不大。