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研究人员探索热塑性纤维增强复合材料实现4D打印

一组研究人员在《用于4D打印的热塑性纤维增强复合材料的表征和精确的有限元分析》的论文中正在进一步研究下一维度。尽管3D打印领域没有这么多方式被利用,但许多对变形材料充满好奇的科学家,工程师,设计师和创新用户提供了更大的功能。在这里,重点是基于FDM的4D打印,并使用热塑性塑料来制造伪影。在研究有关结构载荷减弱和设计质量受限的问题时,研究人员研究了由聚乳酸(PLA)和碳纤维增强PLA(CFPLA)制成的结构。他们的目标是加强4D打印的工件,并创建一个包括物理实验和动态机械分析(DMA)的工作流程,以进行材料表征。然后,将工作流用于使用不同打印参数创建的样品进行分析。

4D打印方法仍然存在许多局限性,从缺乏刚度的问题到不准确的数值模拟,以及材料,机械性能和性能方面的一系列挑战。至于模拟,研究人员还指出,对于4D打印,过程必须更精确,材料必须更坚固。他们的答案是使用碳纤维PLA(CFPLA),一种易于3D打印的材料,还可以与PLA混合以制成双层纤维增强复合材料(FRC)。

研究人员说:“通过对打印路径进行编程,可以方便,有效地分层设计和制造FRC,并且还可以提高FRC设计的准确性。”最终,该团队利用3D打印的经典优势为他们的研究创建了三种设计,从能够创建多个版本而不必回到图纸表获取新原型的能力,以及生产速度和可负担性。他们创建了以下内容:

模块化灯罩–分为2×4栅格作为顶部,左下方为2×2栅格,以及2×2作为右下方。

瓶托–尺寸约为500mm x 200mm。

鞋子支撑-适应件,由顶部和底部组成

模块化灯罩设计迭代。结果表明,经过八次迭代后,灯罩可以很好地适合灯管。

为了准确地进行模拟,已经进行了实验以量化FRC热塑性组分的超弹性和粘弹性。这些测试包括弹性部件的单轴拉伸和压缩测试,粘性部件的DMA和具有不同应变水平的单轴卸载-再加载以产生塑性变形和Mullins效应。“我们的方法的准确性已通过几个创新的设计实例在计算和实验上得到了验证,并且至少达到95%。我们认为,提出的工作流程对于几何,材料机制和设计的结合至关重要,并且具有多种潜在应用。”

如今,3D打印和4D打印几乎同时增长,这取决于许多研究和各个级别的用户对许多新材料的研究和投入使用。从执行器的创新到性能的提高,再到复合材料的印刷,这都将继续进行广泛的研究应用。