形狀記憶聚氨酯3D打印參數對其形變能力影響分析

武力，馮銘龍，黃偉

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

3D打印是一種直接通過計算機輔助設計實現三維設計，采用逐層疊加的方式完成零件制作的成型方法[1].由于擁有制造復雜形狀產品的能力，3D打印技術在航空航天、工程、醫療、建筑等領域有著廣泛的應用[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，經過3D打印后的結構，可以對外界激勵產生響應，能夠在初始形狀和臨時形狀之間進行轉化[6-7].3D打印的形狀記憶結構具有獨特的優勢，作為智能增材制造的一種，在航天、生物、柔性電子器件、軟體機器人等領域有越來越廣泛的應用[8-11].

形狀回復率和形狀固定率是評價形狀記憶材料形變能力的工程指標，形狀回復率可以描述材料回復到原始形狀的能力，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].固定率和回復率與形狀記憶材料結構組成有一定關系[13]，為了研究不同的打印參數對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驗，得出了最優的打印參數組合，為形狀記憶聚氨酯3D打印模型參數設置提供了理論依據.

1 3D打印正交實驗

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打印機為Raise 3D N2 Plus打印機；實驗加熱設備選擇65 ℃加熱板.

1.2 樣件打印正交實驗設計

設計樣件尺寸為60 mm × 10 mm × 2 mm，選擇結構打印參數(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驗表.其中打印層高定義為逐層疊加成型時每層的厚度，打印角度定義為樣件內部填充絲與Y方向的夾角，打印速度定義為噴頭在XY平面的移動速度，如圖1所示.

在預實驗基礎上，設置各因素的水平值，如表1所示.

表1 正交實驗表

1.3 形變能力表征與測量

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，此時加載載荷并冷卻至室溫后會使其產生形變；對產生形變后的聚合物重新進行加熱，聚合物的形變將逐漸回復至初始狀態.形狀固定率η1定義為聚合物降至常溫不受外載荷時保持住的變形量與受熱時外載荷賦予的變形量的比值；形狀回復率η2可定義為聚合物受熱回復后的形狀占初始形狀的百分率.固定率及回復率測試方法如圖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，冷卻至室溫后測量角度θ1；繼續將試件放置到加熱板上進行加熱至65 ℃，試件將逐漸回復初始形狀，試件不再回復后冷卻至室溫，測量角度θ2；則樣件固定率η1及回復率η2計算公式為

(a)固定率測量

(b)回復率測量圖2 試件性能測量示意圖

2 實驗結果與討論

選用三水平三因素正交表進行試驗，正交實驗結果如表2所示，其中均值1～3為固定率測試均值，均值4～6為回復率測試均值，極差1為固定率測試極差，極差2為回復率測試極差.

表2 正交實驗結果表

根據正交實驗結果可知，對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；對回復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.對于固定率均值和回復率均值來說，打印角度為90°-180°，打印層高為0.1 mm時，均值處于最大值；即打印角度為90°-180°，打印層高為0.1 mm時，可以獲得較好的固定率和回復率.對于打印速度來說，固定率均值最大值和回復率均值最大值對應不同的打印速度.

繼續研究打印速度對形狀記憶聚氨酯形變能力的影響，將固定率和回復率統一為形變率η3，計算公式為

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

(a) 固定率測試圖

(b) 回復率測試圖圖3 不同打印速度下固定率、回復率測試圖

圖4 不同打印速度下的固定率、回復率及形變率曲線

從圖4中可看出，打印速度對固定率和回復率的影響呈現相反趨勢.固定率隨打印速度增加表現為先減小后增加；回復率隨打印速度增加表現為先增大后減小.形變率隨打印速度增加而波動式變化，且在打印速度為40 mm / s時形變率最高.

從微觀角度分析打印速度對固定率和回復率的影響.形狀記憶聚氨酯材料固定相分布于表面且分布集中，可逆相分布于內部且分布分散[14](如圖5所示).固定相外在表現為重新升溫后形狀記憶聚氨酯恢復初始形狀的能力，可逆相外在表現為當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，打印速度對兩相結構的影響也有所不同，在打印速度較慢時，打印速度對分布分散的可逆相影響更大，隨著打印速度的增加，噴頭會對擠出的材料產生拉力，可逆相的分布逐漸稀疏，導致材料可逆相含量降低，表現為固定率的減小和回復率的增大.打印速度繼續增加，打印速度對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，導致材料固定相含量降低，表現為固定率的小幅增加和回復率的小幅減小.

圖5 形狀記憶聚氨酯雙相結構示意圖

打印層高決定了樣件切片的層數，較小的打印層高能使樣件每層之間黏結更加緊密，有利于材料鏈段運動時可逆相變形力的儲存和釋放，大的打印層高會導致結構較松散，使得材料能夠儲存的凍結應力較小，導致固定率和回復率均較小.

打印角度即樣件纖維的方向，不同的纖維方向對分布集中的固定相影響較大，對分布分散的可逆相影響較小.對試件進行彎曲固定時，起主要作用的是可逆相的變形力，因此打印角度對固定率影響不大，只有0 °及180 °纖維略有優勢；在對試件進行加熱回復時，0°及180°方向纖維的固定相能夠較好地釋放回復力，45°及135°方向的纖維次之，90°方向纖維則對回復力的釋放影響較小，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力不夠，垂直方向沒有約束，導致試件在回復時回復力方向不統一，回復率反而不如90°-180°打印角度和45°-135°打印角度的試件.

3 結論

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

(1)打印參數對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，對回復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，可以獲得較好的固定率和回復率；

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

(3)打印參數對樣件形變能力的影響與形狀記憶聚氨酯材料的結構組成與分布有關，可逆相與固定相的分布含量不同導致了形變能力的不同，固定相含量越大，材料回復率越高，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組合為打印角度90 °-180 °，打印速度40 mm/s，打印層高0.1 mm.