武力，馮銘龍，黃偉

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

3D打印是一種直接通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，采用逐層疊加的方式完成零件制作的成型方法[1].由于擁有制造復(fù)雜形狀產(chǎn)品的能力，3D打印技術(shù)在航空航天、工程、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-5].形狀記憶聚氨酯是一種具有形狀記憶功能的智能材料，經(jīng)過(guò)3D打印后的結(jié)構(gòu)，可以對(duì)外界激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)，能夠在初始形狀和臨時(shí)形狀之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化[6-7].3D打印的形狀記憶結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為智能增材制造的一種，在航天、生物、柔性電子器件、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[8-11].

形狀回復(fù)率和形狀固定率是評(píng)價(jià)形狀記憶材料形變能力的工程指標(biāo)，形狀回復(fù)率可以描述材料回復(fù)到原始形狀的能力，而形狀固定率描述的是形狀記憶聚合物在二次成型后保持形狀的能力[12].固定率和回復(fù)率與形狀記憶材料結(jié)構(gòu)組成有一定關(guān)系[13]，為了研究不同的打印參數(shù)對(duì)形狀記憶聚氨酯材料成型后形狀記憶性能的影響，本文以打印速度、打印角度及打印層高作為因素建立正交實(shí)驗(yàn)，得出了最優(yōu)的打印參數(shù)組合，為形狀記憶聚氨酯3D打印模型參數(shù)設(shè)置提供了理論依據(jù).

1 3D打印正交實(shí)驗(yàn)

1.1 主要儀器和材料

形狀記憶聚氨酯選擇線材，直徑為1.75 mm；3D打印機(jī)為Raise 3D N2 Plus打印機(jī)；實(shí)驗(yàn)加熱設(shè)備選擇65 ℃加熱板.

1.2 樣件打印正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)樣件尺寸為60 mm × 10 mm × 2 mm，選擇結(jié)構(gòu)打印參數(shù)(打印層高、打印角度和打印速度)為影響因素，建立了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)表.其中打印層高定義為逐層疊加成型時(shí)每層的厚度，打印角度定義為樣件內(nèi)部填充絲與Y方向的夾角，打印速度定義為噴頭在XY平面的移動(dòng)速度，如圖1所示.

在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)置各因素的水平值，如表1所示.

表1 正交實(shí)驗(yàn)表

1.3 形變能力表征與測(cè)量

形狀記憶聚氨酯具有形狀記憶功能，樣件加熱后將逐漸軟化，此時(shí)加載載荷并冷卻至室溫后會(huì)使其產(chǎn)生形變；對(duì)產(chǎn)生形變后的聚合物重新進(jìn)行加熱，聚合物的形變將逐漸回復(fù)至初始狀態(tài).形狀固定率η1定義為聚合物降至常溫不受外載荷時(shí)保持住的變形量與受熱時(shí)外載荷賦予的變形量的比值；形狀回復(fù)率η2可定義為聚合物受熱回復(fù)后的形狀占初始形狀的百分率.固定率及回復(fù)率測(cè)試方法如圖2所示，將試件放置在加熱板上加熱至65 ℃后彎曲成U型并固定，冷卻至室溫后測(cè)量角度θ1；繼續(xù)將試件放置到加熱板上進(jìn)行加熱至65 ℃，試件將逐漸回復(fù)初始形狀，試件不再回復(fù)后冷卻至室溫，測(cè)量角度θ2；則樣件固定率η1及回復(fù)率η2計(jì)算公式為

(a)固定率測(cè)量

(b)回復(fù)率測(cè)量圖2 試件性能測(cè)量示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

選用三水平三因素正交表進(jìn)行試驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中均值1～3為固定率測(cè)試均值，均值4～6為回復(fù)率測(cè)試均值，極差1為固定率測(cè)試極差，極差2為回復(fù)率測(cè)試極差.

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)固定率影響程度由大到小依次為打印速度、打印層高和打印角度；對(duì)回復(fù)率影響程度由大到小依次為打印角度、打印速度和打印層高.對(duì)于固定率均值和回復(fù)率均值來(lái)說(shuō)，打印角度為90°-180°，打印層高為0.1 mm時(shí)，均值處于最大值；即打印角度為90°-180°，打印層高為0.1 mm時(shí)，可以獲得較好的固定率和回復(fù)率.對(duì)于打印速度來(lái)說(shuō)，固定率均值最大值和回復(fù)率均值最大值對(duì)應(yīng)不同的打印速度.

繼續(xù)研究打印速度對(duì)形狀記憶聚氨酯形變能力的影響，將固定率和回復(fù)率統(tǒng)一為形變率η3，計(jì)算公式為

在打印角度為90 °-180 °，打印層高為0.1 mm的基礎(chǔ)上，繼續(xù)打印制作了打印速度為10～70 mm/s的7組樣件，測(cè)量各樣件的固定率和回復(fù)率，如圖3所示；不同打印速度下的固定率、回復(fù)率和形變率的變化曲線如圖4所示.

(a) 固定率測(cè)試圖

(b) 回復(fù)率測(cè)試圖圖3 不同打印速度下固定率、回復(fù)率測(cè)試圖

圖4 不同打印速度下的固定率、回復(fù)率及形變率曲線

從圖4中可看出，打印速度對(duì)固定率和回復(fù)率的影響呈現(xiàn)相反趨勢(shì).固定率隨打印速度增加表現(xiàn)為先減小后增加；回復(fù)率隨打印速度增加表現(xiàn)為先增大后減小.形變率隨打印速度增加而波動(dòng)式變化，且在打印速度為40 mm / s時(shí)形變率最高.

從微觀角度分析打印速度對(duì)固定率和回復(fù)率的影響.形狀記憶聚氨酯材料固定相分布于表面且分布集中，可逆相分布于內(nèi)部且分布分散[14](如圖5所示).固定相外在表現(xiàn)為重新升溫后形狀記憶聚氨酯恢復(fù)初始形狀的能力，可逆相外在表現(xiàn)為當(dāng)升溫加載降溫后形狀記憶聚氨酯保持加載后形狀的能力，固定相含量越大，材料回復(fù)率越高，可逆相含量越大，材料固定率越高[13].由于固定相與可逆相在材料中分布的不同，打印速度對(duì)兩相結(jié)構(gòu)的影響也有所不同，在打印速度較慢時(shí)，打印速度對(duì)分布分散的可逆相影響更大，隨著打印速度的增加，噴頭會(huì)對(duì)擠出的材料產(chǎn)生拉力，可逆相的分布逐漸稀疏，導(dǎo)致材料可逆相含量降低，表現(xiàn)為固定率的減小和回復(fù)率的增大.打印速度繼續(xù)增加，打印速度對(duì)固定相的影響也逐漸增大，集中分布的固定相也將變得稀疏，導(dǎo)致材料固定相含量降低，表現(xiàn)為固定率的小幅增加和回復(fù)率的小幅減小.

圖5 形狀記憶聚氨酯雙相結(jié)構(gòu)示意圖

打印層高決定了樣件切片的層數(shù)，較小的打印層高能使樣件每層之間黏結(jié)更加緊密，有利于材料鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)可逆相變形力的儲(chǔ)存和釋放，大的打印層高會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較松散，使得材料能夠儲(chǔ)存的凍結(jié)應(yīng)力較小，導(dǎo)致固定率和回復(fù)率均較小.

打印角度即樣件纖維的方向，不同的纖維方向?qū)Ψ植技械墓潭ㄏ嘤绊戄^大，對(duì)分布分散的可逆相影響較小.對(duì)試件進(jìn)行彎曲固定時(shí)，起主要作用的是可逆相的變形力，因此打印角度對(duì)固定率影響不大，只有0 °及180 °纖維略有優(yōu)勢(shì)；在對(duì)試件進(jìn)行加熱回復(fù)時(shí)，0°及180°方向纖維的固定相能夠較好地釋放回復(fù)力，45°及135°方向的纖維次之，90°方向纖維則對(duì)回復(fù)力的釋放影響較小，但按照0°打印方向的試件纖維方向單一，每根纖維之間的黏結(jié)力不夠，垂直方向沒(méi)有約束，導(dǎo)致試件在回復(fù)時(shí)回復(fù)力方向不統(tǒng)一，回復(fù)率反而不如90°-180°打印角度和45°-135°打印角度的試件.

3 結(jié)論

研究了3D打印參數(shù)(打印速度、打印角度和打印層高)對(duì)形狀記憶聚氨酯材料形變能力的影響并分析了原因.得出如下結(jié)論：

(1)打印參數(shù)對(duì)固定率影響從大到小依次為打印速度、打印層高和打印角度，對(duì)回復(fù)率影響從大到小依次為打印角度、打印速度和打印層高.在打印角度為90°-180°，打印層高為0.1 mm時(shí)，可以獲得較好的固定率和回復(fù)率；

(2)當(dāng)打印速度增加時(shí)，形狀記憶聚氨酯材料固定率表現(xiàn)為先減小后增加，回復(fù)率表現(xiàn)為先增加后減小.在打印速度為40 mm/s時(shí)，形變率呈現(xiàn)最大值；

(3)打印參數(shù)對(duì)樣件形變能力的影響與形狀記憶聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)組成與分布有關(guān)，可逆相與固定相的分布含量不同導(dǎo)致了形變能力的不同，固定相含量越大，材料回復(fù)率越高，可逆相含量越大，材料固定率越高；

(4)綜合形變能力最好的打印參數(shù)組合為打印角度90 °-180 °，打印速度40 mm/s，打印層高0.1 mm.