劉志鵬，韓賓，李蕓瑜，張琦

3D打印形狀記憶智能剪紙結(jié)構(gòu)

劉志鵬，韓賓*，李蕓瑜，張琦

（西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710049）

探究不同切口及不同打印角度形狀記憶剪紙結(jié)構(gòu)的拉伸力學(xué)性能及形狀記憶恢復(fù)性能，獲得具有較好變形能力和形狀記憶恢復(fù)能力的智能化剪紙結(jié)構(gòu)。使用FDM打印不同角度的剪紙結(jié)構(gòu)樣件，并利用激光切割機獲得具有方形切口和圓形切口的樣件。對打印角度為0°/90°、±45°的方形切口和圓形切口樣件進行常溫拉伸實驗。為探究溫度的影響，進行高溫緩慢拉伸實驗和高溫快速拉伸實驗；對比方形切口件和圓形切口件在不同初始應(yīng)變下的形狀記憶恢復(fù)能力。在常溫下，打印角度為0°/90°的方形切口樣件的拉伸距離為1.75 mm，圓形切口樣件的拉伸距離為2.50 mm；±45°打印角度的方形切口樣件的拉伸距離為3.25 mm，圓形切口樣件的拉伸距離為3.00 mm。在高溫下，材料進入高彈態(tài)，2種切口樣件在200%拉伸應(yīng)變下均未斷裂；提高拉伸速率后，方形切口樣件的拉伸應(yīng)變?yōu)?43.8%，圓形切口樣件的拉伸應(yīng)變?yōu)?37.5%。將打印角度從0°/90°改為±45°后，方形切口和圓形切口剪紙結(jié)構(gòu)的變形能力均增強。相比于方形切口，圓形切口剪紙結(jié)構(gòu)具有更好的變形能力。高溫下剪紙結(jié)構(gòu)的變形能力大大增強；圓形切口剪紙結(jié)構(gòu)樣件的形狀記憶恢復(fù)能力強于方形切口樣件的。

3D打??；形狀記憶；剪紙結(jié)構(gòu)；切口形狀；結(jié)構(gòu)設(shè)計

3D打印技術(shù)是通過計算機輔助模型設(shè)計并通過逐層添加材料的方式來制造三維實體結(jié)構(gòu)的一種方法[1]，可以根據(jù)實際需要生產(chǎn)幾何復(fù)雜且高度個性化的結(jié)構(gòu)[2]。近年來，在醫(yī)學(xué)、建筑、航空航天等多個領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用[3-5]。

形狀記憶聚合物（SMP）可以在外部刺激下從程序化的臨時形狀恢復(fù)至初始形狀[6]，不同的程序化設(shè)計可以使SMP具有不同的臨時形狀，但只能有一種永久形狀。形狀記憶聚合物復(fù)合材料具有較強的變形恢復(fù)能力和較高的模量，根據(jù)外部刺激強度的不同，響應(yīng)速度在幾秒到幾分鐘之間[7-8]，在航空航天、軟機器人、4D打印等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。隨著4D打印技術(shù)的發(fā)展，SMP與4D打印的結(jié)合也成為了一個研究熱點[10-12]。鄧攀等[13]在形狀記憶材料中填充了磁性物質(zhì)，使用DIW的方式制備了磁響應(yīng)形狀記憶復(fù)合材料，探究了其在磁場作用下的形狀記憶性能。張靜等[14]研究了預(yù)聚物比例和稀釋劑添加量對形狀記憶材料力學(xué)性能和形狀記憶恢復(fù)能力的影響，并通過微觀形貌分析了力學(xué)性能不同的原因。郝天澤等[15]總結(jié)了4D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及基本原理，分析了形狀記憶聚合物在不同外界激勵下的變形方式及恢復(fù)特點，對形狀記憶聚合物存在的問題及發(fā)展方向進行了總結(jié)。

剪紙作為一種古老的紙工藝技術(shù)，為各種工程應(yīng)用提供了新的方法，眾多學(xué)者利用剪紙技術(shù)成功制備了可拉伸能量設(shè)備、可穿戴傳感器、具有組織工程的自折疊支架等。基于Kirigami的技術(shù)涉及基板的折疊和切割，這一技術(shù)從宏觀尺度到微觀尺度都具有廣泛應(yīng)用[16-18]。剪紙技術(shù)實現(xiàn)了對材料機械、電氣和光學(xué)特性的靈活設(shè)計[19]。肖思等[20]在彈性薄板上引入了切口，構(gòu)建了多邊形輻射對稱金字塔型剪紙結(jié)構(gòu)，通過實驗和仿真的方式，研究了金字塔型剪紙結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征。韓同偉等[21]將剪紙技術(shù)應(yīng)用到納米尺度上，通過添加圓角矩形切口得到了具有大變形拉伸效果的石墨烯剪紙，并探究了切口幾何參數(shù)對剪紙力學(xué)性能的影響。此外，剪紙技術(shù)不僅可以應(yīng)用到常規(guī)的紙張、金屬材料中，還能應(yīng)用到智能材料、納米復(fù)合材料等先進材料中。通過引入計算機輔助切割、光刻技術(shù)/蝕刻和直接打印工藝可實現(xiàn)靈活定制結(jié)構(gòu)特性[22-25]，例如可重構(gòu)性、超拉伸性和電氣可靠性，使不同領(lǐng)域的研究人員能夠為各種工程應(yīng)用構(gòu)建對應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)[26-31]。

目前，關(guān)于SMP的研究大都集中在材料制備及驅(qū)動形式上，而對SMP結(jié)構(gòu)變形能力的關(guān)注甚少，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式提高形狀記憶結(jié)構(gòu)的變形能力可以擴大SMP的應(yīng)用范圍。本文基于剪紙結(jié)構(gòu)大變形特點，結(jié)合SMP特殊的性能，利用增材制造技術(shù)獲得了不同打印參數(shù)和不同切口形狀的智能剪紙結(jié)構(gòu)。通過探究不同打印角度、高溫條件下不同拉伸速率、不同初始應(yīng)變下不同切口的形狀記憶恢復(fù)能力，得到影響剪紙結(jié)構(gòu)變形能力的因素及改善剪紙結(jié)構(gòu)形狀記憶恢復(fù)能力的方法，以期為形狀記憶智能剪紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗樣件制備

實驗樣件使用SMP材料（國產(chǎn)易生e-Sun品牌），在打印前對SMP材料進行動態(tài)熱機械分析以獲得其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，實驗所使用的SMP材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50 ℃。

實驗樣件使用FDM進行打印，樣件規(guī)格為40 mm×20 mm×2 mm，通過探索打印工藝，得到最佳打印參數(shù)如下：打印溫度為200 ℃，平臺溫度為35 ℃，打印速度為50 mm/s。樣件打印完成后在兩端設(shè)置夾持端，并使用Nova 35型號的雷宇激光切割機以4 mm為間隔對樣件表面進行激光開槽，激光功率為80 W，切割速度為60 mm/s，開槽縫隙為0.1 mm。激光切割所開切口末端分為方形與圓形（直徑為0.4 mm）2種，此外，設(shè)置不開槽樣件作為初始對照組，具體樣件如圖1所示。

1.2 不同打印角度拉伸實驗及仿真

首先使用最佳打印參數(shù)打印SMP樣件，打印方式為4層縱橫交錯打印，即打印角度為0°/90°，打印完成后使用激光切割機切槽。為探究開口類型對SMP樣件力學(xué)性能的影響，對制備完成的不同切口樣件在常溫條件下進行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實驗，拉伸實驗使用INSTRON 5982萬能實驗機，拉伸速度設(shè)置為1 mm/min。

圖1 剪紙結(jié)構(gòu)樣件示意圖

為探究打印角度對SMP樣件力學(xué)性能的影響，打印±45°的SMP樣件，與0°/90°樣件進行相同處理后在INSTRON 5982萬能實驗機上進行拉伸實驗，拉伸速度設(shè)置為1 mm/min。實驗完成后分析不同樣件的斷裂方式，比較不同樣件的拉伸能力。

為得到樣件拉伸時的應(yīng)力分布情況，對2種切口的剪紙結(jié)構(gòu)進行有限元仿真，通過UMAT子程序?qū)胗邢拊Ｐ偷牟牧蠀?shù)，邊界條件設(shè)置如下：一端固定，在另一端施加10 mm的位移。得到仿真結(jié)果后，觀察對比應(yīng)力-應(yīng)變分布情況，并結(jié)合實驗現(xiàn)象對斷裂方式進行分析。

1.3 高溫緩慢拉伸實驗

在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度條件下，SMP材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谧冃蔚母邚棏B(tài)。為探究高溫下剪紙結(jié)構(gòu)的拉伸力學(xué)性能，進行高溫緩慢拉伸實驗。實驗樣件的打印角度為0°/90°，由于拉斷應(yīng)變未知，初步設(shè)置樣件的拉伸終止應(yīng)變?yōu)?00%，全程在保溫箱（55 ℃）中進行拉伸，拉伸速率設(shè)置為1 mm/min，拉伸過程可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，以保證材料內(nèi)部鏈段有充足的時間穩(wěn)定其構(gòu)型。高溫拉伸實驗使用的實驗樣件打印角度為0°/90°。

1.4 高溫快速拉伸實驗

探索SMP結(jié)構(gòu)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下的破壞極限對實際設(shè)計與使用具有重要參考意義。為探究SMP樣件拉斷時的應(yīng)變，考慮到保溫箱的縱向尺寸不足以支撐未知的拉伸極限距離，在實際實驗中可通過后退保溫箱快速拉斷樣件。為了減小環(huán)境對樣件的影響，使樣件溫度在拉伸過程中始終保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，將拉伸速率設(shè)置為10 mm/s，是緩慢拉伸速率的600倍。

1.5 不同應(yīng)變下的形狀記憶效應(yīng)測試

對打印角度為0°/90°的2種切口樣件進行形狀記憶效應(yīng)測試，探索切口類型對樣件形狀記憶恢復(fù)能力的影響。每組樣件共設(shè)置15個等距應(yīng)變，從10%到150%。使用INSTRON 5982萬能實驗機進行拉伸，在保溫箱中拉伸至指定應(yīng)變后，撤去保溫箱進行充分冷卻，待樣件形狀固定后取下。冷卻固定后不同應(yīng)變的圓形切口樣件示意圖如圖2所示，圓形切口和方形切口樣件每組各有15個，此處僅作部分展示。將樣件形狀固定后，統(tǒng)一采取水浴的形式進行形狀恢復(fù)，水溫保持在50 ℃，水浴時長為3 min。

圖2 形狀記憶測試中不同應(yīng)變的樣件示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同打印角度拉伸實驗及仿真結(jié)果

0°/90°打印的SMP樣件拉伸實驗結(jié)果如圖3所示。可知，當(dāng)拉伸距離達(dá)到0.75 mm時，未開槽的樣件載荷達(dá)到730 N，拉伸樣件斷裂；而進行開槽處理的2組樣件的載荷均未超過110 N，其中，圓形切口樣件比方形切口樣件的最高載荷低9.1%。方形切口樣件和圓形切口樣件的拉伸距離分別為1.75 mm和2.5 mm，對比可知，開槽能夠減小拉伸應(yīng)力，增大拉伸距離。與方形切口樣件相比，圓形切口樣件的局部應(yīng)力更小，拉伸距離更大，變形能力更強。因此，對SMP剪紙結(jié)構(gòu)的切口形式進行優(yōu)化，可以提高剪紙結(jié)構(gòu)的拉伸能力。

圖3 0°/90°樣件常溫拉伸實驗載荷-位移曲線

2種不同切口樣件的斷裂分析結(jié)果如圖4所示。將B、D缺口定義為橫向缺口，A、C缺口定義為縱向缺口。方形切口樣件的最上層打印角度平行于開縫方向（定義為橫向），因此，當(dāng)橫縱裂縫同時出現(xiàn)時，橫向先斷。圓形切口樣件的最上層打印角度垂直于開縫方向（定義為縱向），當(dāng)橫縱裂縫同時出現(xiàn)時，縱向帶動橫向斷裂。斷裂處接口均為平整狀。

圖4 0°、90°樣件常溫拉伸下不同缺口的斷裂細(xì)節(jié)圖

±45°打印的SMP樣件拉伸實驗結(jié)果如圖5所示?？芍淖兇蛴〗嵌群?，方形切口樣件的拉伸距離由1.75 mm增大到3.25 mm，圓形切口樣件的拉伸距離由2.5 mm增大到3.00 mm。就最大載荷而言，相比于0°/90°打印樣件，2種切口的波動幅度均未超過10%，打印角度對最大承載能力的影響并不明顯，而對結(jié)構(gòu)拉伸能力的影響較大，優(yōu)化打印角度能夠提高剪紙結(jié)構(gòu)的變形能力。結(jié)合斷裂與仿真情況，對這一現(xiàn)象進行深入分析。樣件的實際斷裂情況如圖6所示。可以看到，方形切口樣件沒有出現(xiàn)縱向缺口，且橫向缺口呈現(xiàn)黏稠狀的斷裂，有輕微拉絲；圓形切口樣件存在橫向和縱向缺口，橫向缺口也呈現(xiàn)相同的拉絲遲滯現(xiàn)象。因此，±45°打印的樣件給斷裂帶來了一定的遲滯影響，同時也證明了優(yōu)化打印角度能夠提高剪紙結(jié)構(gòu)樣件的變形能力。

從圖5可以看出，圓形切口樣件的拉伸距離低于方形切口的，為解釋這一現(xiàn)象，分析了±45°打印角度下方形切口和圓形切口樣件斷裂危險點示意圖，如圖7所示?？芍?，當(dāng)打印角度改為±45°后，圓形切口樣件有更多的斷裂危險點，更容易發(fā)生斷裂。因此，改變打印角度對方形切口樣件拉伸距離的提升效果強于圓形切口樣件的。

圖5 ±45°樣件常溫拉伸實驗載荷-位移曲線

圖6 ±45°樣件常溫拉伸下不同缺口的斷裂細(xì)節(jié)圖

圖7 2種切口在±45°打印角度下的斷裂危險點示意圖

2種切口的拉伸仿真應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果如圖8所示。可以看到，方形切口樣件的應(yīng)力集中于H、I兩處，且H處應(yīng)力高于I處應(yīng)力，故H處先發(fā)生斷裂，H處的斷裂能夠為I處提供緩沖，因此I處不會發(fā)生直接斷裂，而是出現(xiàn)裂紋。圓形切口的應(yīng)力集中于J、K兩處，兩處的應(yīng)力-應(yīng)變差距不大，在實際實驗中，J、K處斷裂基本同時發(fā)生，不存在緩沖過渡，因此會出現(xiàn)兩處斷裂。因此，可以通過設(shè)計切口形式來增強剪紙結(jié)構(gòu)的變形能力，同時可以結(jié)合打印角度進行斷裂性能改善。

圖8 2種切口的拉伸仿真應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果

2.2 高溫緩慢拉伸實驗結(jié)果

高溫緩慢拉伸樣件的載荷-位移曲線如圖9所示?？梢钥闯觯?種切口樣件在200%的拉伸應(yīng)變下均未斷裂，這是由于SMP材料在高溫下進入了高彈態(tài)，材料內(nèi)部鏈段開始運動，使SMP材料模量大大降低，形變率增大，同時拉伸速率較慢，材料內(nèi)部鏈段有更長的時間穩(wěn)定其構(gòu)型，因此2種切口樣件均未被拉斷。對比方形切口樣件和圓形切口樣件的載荷情況可知，在同等位移條件下，圓形切口樣件的載荷明顯低于方形切口樣件的，這也進一步說明優(yōu)化切口形式能夠降低結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力，增強變形能力。

緩慢拉伸實驗細(xì)節(jié)如圖10所示。在200%應(yīng)變條件下，2種切口的樣件均未產(chǎn)生誘導(dǎo)性裂紋，這說明2種切口的樣件在緩慢拉伸速率下有更高的拉斷應(yīng)變，變形能力更強，SMP材料在進入高彈態(tài)后拉伸能力大大增強。

圖10 高溫緩慢拉伸樣件細(xì)節(jié)圖

2.3 高溫快速拉伸實驗結(jié)果

高溫快速拉伸樣件的載荷-位移曲線如圖11所示。在前200%的應(yīng)變范圍內(nèi)，理論上該結(jié)果應(yīng)當(dāng)與緩慢拉伸實驗的結(jié)果保持一致，即應(yīng)力不超過20 N，而該項實驗所得的數(shù)值均超過45 N，這是因為一方面，樣件已經(jīng)脫離保溫箱，沒有處于保溫狀態(tài)，溫度有所降低，樣件逐漸發(fā)生硬化；另一方面，不同的拉伸速率使SMP材料內(nèi)部鏈段構(gòu)型不同，這對結(jié)果也有一定影響。由圖11可得，方形切口樣件的拉斷應(yīng)變?yōu)?43.8%，圓形切口樣件的拉斷應(yīng)變?yōu)?37.5%，受環(huán)境溫度影響，兩者數(shù)值是一個偏低的參考值。基于上述分析可知，在高溫條件下，圓形切口樣件具有更強的拉伸變形能力。

圖11 高溫快速拉伸樣件的載荷-位移曲線

高溫快速拉伸實驗的樣件細(xì)節(jié)圖如圖12所示?？芍?，當(dāng)同樣拉伸至樣件發(fā)生斷裂時，方形切口樣件在不同部位均產(chǎn)生了裂紋，而圓形切口樣件則不存在裂紋，裂紋的存在將降低樣件的拉伸能力。這也進一步說明在大變形拉伸條件下，SMP剪紙結(jié)構(gòu)采用圓形切口的剪紙方式比方形切口更安全。

圖12 高溫快速拉伸實驗的樣件細(xì)節(jié)圖

2.4 不同應(yīng)變下形狀記憶測試實驗結(jié)果

經(jīng)過多點測量與檢核，不同初始應(yīng)變下的剪紙結(jié)構(gòu)形狀記憶恢復(fù)實驗結(jié)果如圖13所示。可以看到，圓形切口剪紙結(jié)構(gòu)的形狀記憶性能呈現(xiàn)可預(yù)測的線性趨勢，在150%的應(yīng)變條件下，圓形切口樣件的恢復(fù)率仍能達(dá)到60%，而方形切口樣件則整體呈現(xiàn)二次曲線下降趨勢，隨著應(yīng)變的增大，方形切口樣件的形狀記憶恢復(fù)性能將與圓形切口樣件的拉開更大差距。因此，改善SMP剪紙結(jié)構(gòu)的切口形狀能夠提高結(jié)構(gòu)的形狀記憶恢復(fù)能力，同時基于圓形切口的形狀記憶恢復(fù)特性，根據(jù)實際需求設(shè)計相應(yīng)部件，可以在可控破壞范圍內(nèi)實現(xiàn)部件的變形控制。

3 結(jié)論

設(shè)計并打印了不同切口和不同打印角度的SMP剪紙結(jié)構(gòu)，進行了多種工況下的拉伸實驗以及形狀記憶恢復(fù)實驗，得出以下結(jié)論：

1）優(yōu)化SMP剪紙結(jié)構(gòu)的切口形式能獲得變形能力更強的剪紙結(jié)構(gòu)。在拉伸過程中，方形切口剪紙樣件的局部應(yīng)力過大，容易導(dǎo)致斷裂時的應(yīng)變較小，將切口改為圓形切口后能夠改善局部應(yīng)力，進而提升變形能力，在常溫下拉伸距離從1.75 mm增大到2.50 mm。

2）優(yōu)化SMP剪紙結(jié)構(gòu)的打印角度能增強結(jié)構(gòu)的變形能力。與打印角度為0°/90°的剪紙結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)打印角度為±45°時，方形切口的拉伸距離從1.75 mm增大到3.25 mm，圓形切口的拉伸距離從2.50 mm增大到3.00 mm。

3）高溫下的SMP剪紙結(jié)構(gòu)具有更強的變形能力。方形切口的剪紙結(jié)構(gòu)拉伸應(yīng)變達(dá)到243.8%，圓形切口的剪紙結(jié)構(gòu)拉伸應(yīng)變達(dá)到337.5%，且圓形切口樣件更安全。

4）優(yōu)化SMP剪紙結(jié)構(gòu)的切口形式能獲得形狀記憶恢復(fù)能力更強的結(jié)構(gòu)。當(dāng)初始應(yīng)變較低時，方形切口樣件的形狀記憶恢復(fù)能力與圓形樣件的接近，當(dāng)初始應(yīng)變較高時，方形切口樣件的形狀記憶恢復(fù)能力不及圓形切口樣件的。

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3D Printing Shape Memory Smart Kirigami Structure

LIU Zhi-peng, HAN Bin*, LI Yun-yu, ZHANG Qi

(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The work aims to obtain smart kirigami structure with large deformation capability and good shape memory recovery capability by exploring tensile mechanical properties and shape memory recovery properties of shape memory kirigami structure with different incisions and printing angles. Samples of kirigami structure with different angles were printed by FDM and processed by a laser cutting machine to obtain samples with square and circle incisions. The square incision and circle incision samples with printing angles of 0°/90°, ±45° were subject to tensile tests at normal temperature. In order to investigate the effect of temperature, slow tensile tests and fast tensile tests at high temperature were carried out. And the shape memory recovery abilities of the square incision and circle incision samples were compared with those of the square incision and circle incision samples under different initial strains. At normal temperature, the tensile distance of the square incision and circle incision samples with 0°/90° printing angle was 1.75 mm and 2.50 mm respectively; and the tensile distance of the square incision and circle incision samples with ±45° printing angle was 3.25 mm and 3.00 mm respectively. The material entered into the high elastic state at high temperature, and the two kinds of incision did not fracture at 200% tensile strain; After increasing the tensile rate, the tensile strain was 243.8% for the square-incision samples and 337.5% for the circle-incision samples. After changing the printing angle from 0°/90° to ±45°, the deformation capacity of both square incision and circle incision kirigami structure increases. The circle incision kirigami structure has greater deformation capacity than the square-incision ones. The deformation capacity of the kirigami structure is greatly enhanced at high temperature; and the shape memory recovery of the circle incision kirigami structure samples is stronger than that of the square incision samples.

3D printing; shape memory; kirigami structure; incision shape; structural design

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.005

TG139+.6

A

1674-6457(2023)011-0039-07

2023-07-30

2023-07-30

國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4603103，2022YFB4601804）

National Key R&D Program of China(2022YFB4603103, 2022YFB4601804)

劉志鵬, 韓賓, 李蕓瑜, 等. 3D打印形狀記憶智能剪紙結(jié)構(gòu)[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 39-45.

LIU Zhi-peng, HAN Bin, LI Yun-yu, et al. 3D Printing Shape Memory Smart Kirigami Structure[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 39-45.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨