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

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(jī)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(jī)獲得具有方形切口和圓形切口的樣件。對(duì)打印角度為0°/90°、±45°的方形切口和圓形切口樣件進(jìn)行常溫拉伸實(shí)驗(yàn)。為探究溫度的影響，進(jìn)行高溫緩慢拉伸實(shí)驗(yàn)和高溫快速拉伸實(shí)驗(yàn)；對(duì)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(jìn)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(qiáng)。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(qiáng)；圓形切口剪紙結(jié)構(gòu)樣件的形狀記憶恢復(fù)能力強(qiáng)于方形切口樣件的。

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

3D打印技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模型設(shè)計(jì)并通過(guò)逐層添加材料的方式來(lái)制造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的一種方法[1]，可以根據(jù)實(shí)際需要生產(chǎn)幾何復(fù)雜且高度個(gè)性化的結(jié)構(gòu)[2]。近年來(lái)，在醫(yī)學(xué)、建筑、航空航天等多個(gè)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(shí)形狀恢復(fù)至初始形狀[6]，不同的程序化設(shè)計(jì)可以使SMP具有不同的臨時(shí)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(qiáng)的變形恢復(fù)能力和較高的模量，根據(jù)外部刺激強(qiáng)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(jī)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(gè)研究熱點(diǎn)[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(chǎng)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(duì)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(guò)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(lì)下的變形方式及恢復(fù)特點(diǎn)，對(duì)形狀記憶聚合物存在的問(wèn)題及發(fā)展方向進(jìn)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?；贙irigami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(shí)現(xiàn)了對(duì)材料機(jī)械、電氣和光學(xué)特性的靈活設(shè)計(jì)[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(duì)稱金字塔型剪紙結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)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(jìn)材料中。通過(guò)引入計(jì)算機(jī)輔助切割、光刻技術(shù)/蝕刻和直接打印工藝可實(shí)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?yàn)楦鞣N工程應(yīng)用構(gòu)建對(duì)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(dòng)形式上，而對(duì)SMP結(jié)構(gòu)變形能力的關(guān)注甚少，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式提高形狀記憶結(jié)構(gòu)的變形能力可以擴(kuò)大SMP的應(yīng)用范圍。本文基于剪紙結(jié)構(gòu)大變形特點(diǎn)，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(guò)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(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣件制備

實(shí)驗(yàn)樣件使用SMP材料（國(guó)產(chǎn)易生e-Sun品牌），在打印前對(duì)SMP材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析以獲得其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，實(shí)驗(yàn)所使用的SMP材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50 ℃。

實(shí)驗(yàn)樣件使用FDM進(jìn)行打印，樣件規(guī)格為40 mm×20 mm×2 mm，通過(guò)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(tái)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(hào)的雷宇激光切割機(jī)以4 mm為間隔對(duì)樣件表面進(jìn)行激光開(kāi)槽，激光功率為80 W，切割速度為60 mm/s，開(kāi)槽縫隙為0.1 mm。激光切割所開(kāi)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(kāi)槽樣件作為初始對(duì)照組，具體樣件如圖1所示。

1.2 不同打印角度拉伸實(shí)驗(yàn)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(cuò)打印，即打印角度為0°/90°，打印完成后使用激光切割機(jī)切槽。為探究開(kāi)口類型對(duì)SMP樣件力學(xué)性能的影響，對(duì)制備完成的不同切口樣件在常溫條件下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)使用INSTRON 5982萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，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(duì)SMP樣件力學(xué)性能的影響，打印±45°的SMP樣件，與0°/90°樣件進(jìn)行相同處理后在INSTRON 5982萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度設(shè)置為1 mm/min。實(shí)驗(yàn)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(shí)的應(yīng)力分布情況，對(duì)2種切口的剪紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，通過(guò)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(duì)比應(yīng)力-應(yīng)變分布情況，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)斷裂方式進(jìn)行分析。

1.3 高溫緩慢拉伸實(shí)驗(yàn)

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(jìn)行高溫緩慢拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行拉伸，拉伸速率設(shè)置為1 mm/min，拉伸過(guò)程可視為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，以保證材料內(nèi)部鏈段有充足的時(shí)間穩(wěn)定其構(gòu)型。高溫拉伸實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)樣件打印角度為0°/90°。

1.4 高溫快速拉伸實(shí)驗(yàn)

探索SMP結(jié)構(gòu)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下的破壞極限對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)與使用具有重要參考意義。為探究SMP樣件拉斷時(shí)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(shí)際實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)后退保溫箱快速拉斷樣件。為了減小環(huán)境對(duì)樣件的影響，使樣件溫度在拉伸過(guò)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(cè)試

對(duì)打印角度為0°/90°的2種切口樣件進(jìn)行形狀記憶效應(yīng)測(cè)試，探索切口類型對(duì)樣件形狀記憶恢復(fù)能力的影響。每組樣件共設(shè)置15個(gè)等距應(yīng)變，從10%到150%。使用INSTRON 5982萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，在保溫箱中拉伸至指定應(yīng)變后，撤去保溫箱進(jìn)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(gè)，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(jìn)行形狀恢復(fù)，水溫保持在50 ℃，水浴時(shí)長(zhǎng)為3 min。

圖2 形狀記憶測(cè)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(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果

0°/90°打印的SMP樣件拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可知，當(dāng)拉伸距離達(dá)到0.75 mm時(shí)，未開(kāi)槽的樣件載荷達(dá)到730 N，拉伸樣件斷裂；而進(jìn)行開(kāi)槽處理的2組樣件的載荷均未超過(guò)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(duì)比可知，開(kāi)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(qiáng)。因此，對(duì)SMP剪紙結(jié)構(gòu)的切口形式進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(kāi)縫方向（定義為橫向），因此，當(dāng)橫縱裂縫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，橫向先斷。圓形切口樣件的最上層打印角度垂直于開(kāi)縫方向（定義為縱向），當(dāng)橫縱裂縫同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，縱向帶動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可知，改變打印角度后，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(dòng)幅度均未超過(guò)10%，打印角度對(duì)最大承載能力的影響并不明顯，而對(duì)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(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。樣件的實(shí)際斷裂情況如圖6所示。可以看到，方形切口樣件沒(méi)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(lái)了一定的遲滯影響，同時(shí)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(xiǎn)點(diǎn)示意圖，如圖7所示?？芍?dāng)打印角度改為±45°后，圓形切口樣件有更多的斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)，更容易發(fā)生斷裂。因此，改變打印角度對(duì)方形切口樣件拉伸距離的提升效果強(qiáng)于圓形切口樣件的。

圖5 ±45°樣件常溫拉伸實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)點(diǎn)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?？梢钥吹?，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?yàn)镮處提供緩沖，因此I處不會(huì)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(shí)際實(shí)驗(yàn)中，J、K處斷裂基本同時(shí)發(fā)生，不存在緩沖過(guò)渡，因此會(huì)出現(xiàn)兩處斷裂。因此，可以通過(guò)設(shè)計(jì)切口形式來(lái)增強(qiáng)剪紙結(jié)構(gòu)的變形能力，同時(shí)可以結(jié)合打印角度進(jìn)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(shí)驗(yàn)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?，2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(jìn)入了高彈態(tài)，材料內(nèi)部鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使SMP材料模量大大降低，形變率增大，同時(shí)拉伸速率較慢，材料內(nèi)部鏈段有更長(zhǎng)的時(shí)間穩(wěn)定其構(gòu)型，因此2種切口樣件均未被拉斷。對(duì)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(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化切口形式能夠降低結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力，增強(qiáng)變形能力。

緩慢拉伸實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(qiáng)，SMP材料在進(jìn)入高彈態(tài)后拉伸能力大大增強(qiáng)。

圖10 高溫緩慢拉伸樣件細(xì)節(jié)圖

2.3 高溫快速拉伸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果保持一致，即應(yīng)力不超過(guò)20 N，而該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)值均超過(guò)45 N，這是因?yàn)橐环矫?，樣件已?jīng)脫離保溫箱，沒(méi)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(duì)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(gè)偏低的參考值?；谏鲜龇治隹芍?，在高溫條件下，圓形切口樣件具有更強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的樣件細(xì)節(jié)圖如圖12所示。可知，當(dāng)同樣拉伸至樣件發(fā)生斷裂時(shí)，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(jìn)一步說(shuō)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(shí)驗(yàn)的樣件細(xì)節(jié)圖

2.4 不同應(yīng)變下形狀記憶測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多點(diǎn)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)的線性趨勢(shì)，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(shì)，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(kāi)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(shí)基于圓形切口的形狀記憶恢復(fù)特性，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)相應(yīng)部件，可以在可控破壞范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)部件的變形控制。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并打印了不同切口和不同打印角度的SMP剪紙結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了多種工況下的拉伸實(shí)驗(yàn)以及形狀記憶恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)的剪紙結(jié)構(gòu)。在拉伸過(guò)程中，方形切口剪紙樣件的局部應(yīng)力過(guò)大，容易導(dǎo)致斷裂時(shí)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(jìn)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)初始應(yīng)變較低時(shí)，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(shí)，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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