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 作者：:鄭紀豹、王玲 
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室

研究背景：

通過模擬自然界中珍珠層、鱷魚皮、烏龜殼等結構可制備多材料復合結構，能夠克服均質材料性能折中效應，有效提高材料力學性能。目前眾多學者對自然界中復合材料進行仿生材料制備來改善現有的材料屬性和功能。而3D打印技術可根據材料分布需求，通過多噴頭打印實現多材料的分區打印，為仿生結構的制備提供了新的制備途徑。本文基于Voronoi單元對珍珠貝結構建模，并使用多噴頭打印機制備不同結構的珍珠層結構，并對其能量吸收、材料界面結合等性能進行研究。

模型建立:

復合材料每層設計為Voronoi單元圖案來模擬珍珠貝結構中相鄰薄片的排列，在所建立模型中通過隨機分配種子生成Voronoi單元圖案，通過控制模型參數控制Voronoi單元圖案中的形狀和尺寸，最終得到不同類型的珍珠貝結構，將每層結構設置為不同的Voronoi單元圖案，得到最終的珍珠貝三維結構，如圖1-c、1-d所示。

圖1.通過不規則排列種子產生Voronoi單元

所生成的Voronoi單元存在較小的邊界，如果邊界小于或者等于打印噴嘴直徑，這種段邊界在3D制備過程中會降低復合材料的成型質量，因此對所生成Voronoi單元進行修正，通過刪除短邊界、合并相臨邊、延伸相臨邊的方式修正Voronoi單元，具體操作如圖2所示。

圖2.對于所建立模型及短邊的簡化示意圖

3D打印珍珠貝結構：

基于熔融沉積打印工藝，使用多噴頭打印機制備珍珠貝結構，基體材料為PLA，TPU材料，噴嘴直徑0.4mm，PLA打印溫度為210℃，TPU打印溫度222℃，PLA和TPU打印速度分別為20mm/s和10mm/s，為保證PLA與打印底板的穩固粘結，在第一層打印PLA打印溫度提高至225℃，底板溫度為75℃，制備不同單元結構的120mm×15mm×7mm三點彎曲樣件，如圖3所示，其中圖3-a為單一的PLA材料的均質結構，圖3-b沒有使用Voronoi單元的V型夾層結構，圖3-c、3-d、3-e為不同尺寸Voronoi單元結構。

圖3 制備不同類型的珍珠貝結構

評估不同結構的能量吸收能力：

樣件1在較小的位移下擁有較大的載荷，樣件2-1和2-2具有不同的力位移曲線，說明樣件2這種結構的力學性能與施加載荷的位置有關，在樣件3到5中，樣件5擁有最大的彎曲載荷，而樣件3和樣件4因PLA在彎曲過程中不能起到較大的作用造成其彎曲載荷較小，簡而言之，樣件3、4為力學性能相當于一種強度較低的均質材料，在所研究結構中能量吸收評價中，樣件5的能量吸收能力最好。

圖 4 能量吸收測試方式及結果

測試材料界面連接強度：

通過拉伸測試測量PLA與TPU材料界面結合強度，同時建立材料界面強度有限元模型模擬材料界面結合失效過程，最終實驗結果與有限元模擬結果近似，如圖5所示。

圖5 材料界面連接強度測試

評價：

通過熔融沉積打印的方式制備了多種珍珠貝仿生結構，并對所生成Voronoi單元進行修正改善了打印結構質量，通過三點彎曲測試發現珍珠貝結構降低了材料強度而提高材料的延展性能，通過拉伸測試研究了PLA和TPU界面結合強度，并建立材料界面的結合的有限元模型，有限元結果與實驗結果相一致，在未來的研究中，可進一步通過3D打印的方式制備更為復雜的仿生復合材料，以提高材料力學性能。

參考文獻：

Ko, Kwonhwan, Jin, Suyeong, Lee, Sang Eon,et al. Bio-inspired bimaterial composite patterned using three-dimensional printing[J]. Composites Part B: Engineering.