3D打印形狀記憶智能剪紙結構

劉志鵬，韓賓，李蕓瑜，張琦

3D打印形狀記憶智能剪紙結構

劉志鵬，韓賓*，李蕓瑜，張琦

（西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

探究不同切口及不同打印角度形狀記憶剪紙結構的拉伸力學性能及形狀記憶恢復性能，獲得具有較好變形能力和形狀記憶恢復能力的智能化剪紙結構。使用FDM打印不同角度的剪紙結構樣件，并利用激光切割機獲得具有方形切口和圓形切口的樣件。對打印角度為0°/90°、±45°的方形切口和圓形切口樣件進行常溫拉伸實驗。為探究溫度的影響，進行高溫緩慢拉伸實驗和高溫快速拉伸實驗；對比方形切口件和圓形切口件在不同初始應變下的形狀記憶恢復能力。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，材料進入高彈態，2種切口樣件在200%拉伸應變下均未斷裂；提高拉伸速率后，方形切口樣件的拉伸應變為243.8%，圓形切口樣件的拉伸應變為337.5%。將打印角度從0°/90°改為±45°后，方形切口和圓形切口剪紙結構的變形能力均增強。相比于方形切口，圓形切口剪紙結構具有更好的變形能力。高溫下剪紙結構的變形能力大大增強；圓形切口剪紙結構樣件的形狀記憶恢復能力強于方形切口樣件的。

3D打印；形狀記憶；剪紙結構；切口形狀；結構設計

3D打印技術是通過計算機輔助模型設計并通過逐層添加材料的方式來制造三維實體結構的一種方法[1]，可以根據實際需要生產幾何復雜且高度個性化的結構[2]。近年來，在醫學、建筑、航空航天等多個領域得到了迅速發展及廣泛應用[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形狀恢復至初始形狀[6]，不同的程序化設計可以使SMP具有不同的臨時形狀，但只能有一種永久形狀。形狀記憶聚合物復合材料具有較強的變形恢復能力和較高的模量，根據外部刺激強度的不同，響應速度在幾秒到幾分鐘之間[7-8]，在航空航天、軟機器人、4D打印等領域具有廣闊的應用前景[9]。隨著4D打印技術的發展，SMP與4D打印的結合也成為了一個研究熱點[10-12]。鄧攀等[13]在形狀記憶材料中填充了磁性物質，使用DIW的方式制備了磁響應形狀記憶復合材料，探究了其在磁場作用下的形狀記憶性能。張靜等[14]研究了預聚物比例和稀釋劑添加量對形狀記憶材料力學性能和形狀記憶恢復能力的影響，并通過微觀形貌分析了力學性能不同的原因。郝天澤等[15]總結了4D打印技術的發展現狀及基本原理，分析了形狀記憶聚合物在不同外界激勵下的變形方式及恢復特點，對形狀記憶聚合物存在的問題及發展方向進行了總結。

剪紙作為一種古老的紙工藝技術，為各種工程應用提供了新的方法，眾多學者利用剪紙技術成功制備了可拉伸能量設備、可穿戴傳感器、具有組織工程的自折疊支架等。基于Kirigami的技術涉及基板的折疊和切割，這一技術從宏觀尺度到微觀尺度都具有廣泛應用[16-18]。剪紙技術實現了對材料機械、電氣和光學特性的靈活設計[19]。肖思等[20]在彈性薄板上引入了切口，構建了多邊形輻射對稱金字塔型剪紙結構，通過實驗和仿真的方式，研究了金字塔型剪紙結構的力學響應特征。韓同偉等[21]將剪紙技術應用到納米尺度上，通過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對剪紙力學性能的影響。此外，剪紙技術不僅可以應用到常規的紙張、金屬材料中，還能應用到智能材料、納米復合材料等先進材料中。通過引入計算機輔助切割、光刻技術/蝕刻和直接打印工藝可實現靈活定制結構特性[22-25]，例如可重構性、超拉伸性和電氣可靠性，使不同領域的研究人員能夠為各種工程應用構建對應的功能結構[26-31]。

目前，關于SMP的研究大都集中在材料制備及驅動形式上，而對SMP結構變形能力的關注甚少，通過結構設計的方式提高形狀記憶結構的變形能力可以擴大SMP的應用范圍。本文基于剪紙結構大變形特點，結合SMP特殊的性能，利用增材制造技術獲得了不同打印參數和不同切口形狀的智能剪紙結構。通過探究不同打印角度、高溫條件下不同拉伸速率、不同初始應變下不同切口的形狀記憶恢復能力，得到影響剪紙結構變形能力的因素及改善剪紙結構形狀記憶恢復能力的方法，以期為形狀記憶智能剪紙結構的設計提供參考。

1 實驗設計

1.1 實驗樣件制備

實驗樣件使用SMP材料（國產易生e-Sun品牌），在打印前對SMP材料進行動態熱機械分析以獲得其玻璃化轉變溫度，實驗所使用的SMP材料的玻璃化轉變溫度為50 ℃。

實驗樣件使用FDM進行打印，樣件規格為40 mm×20 mm×2 mm，通過探索打印工藝，得到最佳打印參數如下：打印溫度為200 ℃，平臺溫度為35 ℃，打印速度為50 mm/s。樣件打印完成后在兩端設置夾持端，并使用Nova 35型號的雷宇激光切割機以4 mm為間隔對樣件表面進行激光開槽，激光功率為80 W，切割速度為60 mm/s，開槽縫隙為0.1 mm。激光切割所開切口末端分為方形與圓形（直徑為0.4 mm）2種，此外，設置不開槽樣件作為初始對照組，具體樣件如圖1所示。

1.2 不同打印角度拉伸實驗及仿真

首先使用最佳打印參數打印SMP樣件，打印方式為4層縱橫交錯打印，即打印角度為0°/90°，打印完成后使用激光切割機切槽。為探究開口類型對SMP樣件力學性能的影響，對制備完成的不同切口樣件在常溫條件下進行準靜態拉伸實驗，拉伸實驗使用INSTRON 5982萬能實驗機，拉伸速度設置為1 mm/min。

圖1 剪紙結構樣件示意圖

為探究打印角度對SMP樣件力學性能的影響，打印±45°的SMP樣件，與0°/90°樣件進行相同處理后在INSTRON 5982萬能實驗機上進行拉伸實驗，拉伸速度設置為1 mm/min。實驗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。

為得到樣件拉伸時的應力分布情況，對2種切口的剪紙結構進行有限元仿真，通過UMAT子程序導入有限元模型的材料參數，邊界條件設置如下：一端固定，在另一端施加10 mm的位移。得到仿真結果后，觀察對比應力-應變分布情況，并結合實驗現象對斷裂方式進行分析。

1.3 高溫緩慢拉伸實驗

在高于玻璃化轉變溫度條件下，SMP材料轉變為易于變形的高彈態。為探究高溫下剪紙結構的拉伸力學性能，進行高溫緩慢拉伸實驗。實驗樣件的打印角度為0°/90°，由于拉斷應變未知，初步設置樣件的拉伸終止應變為200%，全程在保溫箱（55 ℃）中進行拉伸，拉伸速率設置為1 mm/min，拉伸過程可視為準靜態過程，以保證材料內部鏈段有充足的時間穩定其構型。高溫拉伸實驗使用的實驗樣件打印角度為0°/90°。

1.4 高溫快速拉伸實驗

探索SMP結構在玻璃化轉變溫度下的破壞極限對實際設計與使用具有重要參考意義。為探究SMP樣件拉斷時的應變，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，在實際實驗中可通過后退保溫箱快速拉斷樣件。為了減小環境對樣件的影響，使樣件溫度在拉伸過程中始終保持在玻璃化轉變溫度以上，將拉伸速率設置為10 mm/s，是緩慢拉伸速率的600倍。

1.5 不同應變下的形狀記憶效應測試

對打印角度為0°/90°的2種切口樣件進行形狀記憶效應測試，探索切口類型對樣件形狀記憶恢復能力的影響。每組樣件共設置15個等距應變，從10%到150%。使用INSTRON 5982萬能實驗機進行拉伸，在保溫箱中拉伸至指定應變后，撤去保溫箱進行充分冷卻，待樣件形狀固定后取下。冷卻固定后不同應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，此處僅作部分展示。將樣件形狀固定后，統一采取水浴的形式進行形狀恢復，水溫保持在50 ℃，水浴時長為3 min。

圖2 形狀記憶測試中不同應變的樣件示意圖

2 結果與分析

2.1 不同打印角度拉伸實驗及仿真結果

0°/90°打印的SMP樣件拉伸實驗結果如圖3所示。可知，當拉伸距離達到0.75 mm時，未開槽的樣件載荷達到730 N，拉伸樣件斷裂；而進行開槽處理的2組樣件的載荷均未超過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，對比可知，開槽能夠減小拉伸應力，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力更小，拉伸距離更大，變形能力更強。因此，對SMP剪紙結構的切口形式進行優化，可以提高剪紙結構的拉伸能力。

圖3 0°/90°樣件常溫拉伸實驗載荷-位移曲線

2種不同切口樣件的斷裂分析結果如圖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縫方向（定義為橫向），因此，當橫縱裂縫同時出現時，橫向先斷。圓形切口樣件的最上層打印角度垂直于開縫方向（定義為縱向），當橫縱裂縫同時出現時，縱向帶動橫向斷裂。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節圖

±45°打印的SMP樣件拉伸實驗結果如圖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種切口的波動幅度均未超過10%，打印角度對最大承載能力的影響并不明顯，而對結構拉伸能力的影響較大，優化打印角度能夠提高剪紙結構的變形能力。結合斷裂與仿真情況，對這一現象進行深入分析。樣件的實際斷裂情況如圖6所示。可以看到，方形切口樣件沒有出現縱向缺口，且橫向缺口呈現黏稠狀的斷裂，有輕微拉絲；圓形切口樣件存在橫向和縱向缺口，橫向缺口也呈現相同的拉絲遲滯現象。因此，±45°打印的樣件給斷裂帶來了一定的遲滯影響，同時也證明了優化打印角度能夠提高剪紙結構樣件的變形能力。

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點示意圖，如圖7所示。可知，當打印角度改為±45°后，圓形切口樣件有更多的斷裂危險點，更容易發生斷裂。因此，改變打印角度對方形切口樣件拉伸距離的提升效果強于圓形切口樣件的。

圖5 ±45°樣件常溫拉伸實驗載荷-位移曲線

圖6 ±45°樣件常溫拉伸下不同缺口的斷裂細節圖

圖7 2種切口在±45°打印角度下的斷裂危險點示意圖

2種切口的拉伸仿真應力-應變結果如圖8所示。可以看到，方形切口樣件的應力集中于H、I兩處，且H處應力高于I處應力，故H處先發生斷裂，H處的斷裂能夠為I處提供緩沖，因此I處不會發生直接斷裂，而是出現裂紋。圓形切口的應力集中于J、K兩處，兩處的應力-應變差距不大，在實際實驗中，J、K處斷裂基本同時發生，不存在緩沖過渡，因此會出現兩處斷裂。因此，可以通過設計切口形式來增強剪紙結構的變形能力，同時可以結合打印角度進行斷裂性能改善。

圖8 2種切口的拉伸仿真應力-應變結果

2.2 高溫緩慢拉伸實驗結果

高溫緩慢拉伸樣件的載荷-位移曲線如圖9所示。可以看出，2種切口樣件在200%的拉伸應變下均未斷裂，這是由于SMP材料在高溫下進入了高彈態，材料內部鏈段開始運動，使SMP材料模量大大降低，形變率增大，同時拉伸速率較慢，材料內部鏈段有更長的時間穩定其構型，因此2種切口樣件均未被拉斷。對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，這也進一步說明優化切口形式能夠降低結構局部應力，增強變形能力。

緩慢拉伸實驗細節如圖10所示。在200%應變條件下，2種切口的樣件均未產生誘導性裂紋，這說明2種切口的樣件在緩慢拉伸速率下有更高的拉斷應變，變形能力更強，SMP材料在進入高彈態后拉伸能力大大增強。

圖10 高溫緩慢拉伸樣件細節圖

2.3 高溫快速拉伸實驗結果

高溫快速拉伸樣件的載荷-位移曲線如圖11所示。在前200%的應變范圍內，理論上該結果應當與緩慢拉伸實驗的結果保持一致，即應力不超過20 N，而該項實驗所得的數值均超過45 N，這是因為一方面，樣件已經脫離保溫箱，沒有處于保溫狀態，溫度有所降低，樣件逐漸發生硬化；另一方面，不同的拉伸速率使SMP材料內部鏈段構型不同，這對結果也有一定影響。由圖11可得，方形切口樣件的拉斷應變為243.8%，圓形切口樣件的拉斷應變為337.5%，受環境溫度影響，兩者數值是一個偏低的參考值。基于上述分析可知，在高溫條件下，圓形切口樣件具有更強的拉伸變形能力。

圖11 高溫快速拉伸樣件的載荷-位移曲線

高溫快速拉伸實驗的樣件細節圖如圖12所示。可知，當同樣拉伸至樣件發生斷裂時，方形切口樣件在不同部位均產生了裂紋，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。這也進一步說明在大變形拉伸條件下，SMP剪紙結構采用圓形切口的剪紙方式比方形切口更安全。

圖12 高溫快速拉伸實驗的樣件細節圖

2.4 不同應變下形狀記憶測試實驗結果

經過多點測量與檢核，不同初始應變下的剪紙結構形狀記憶恢復實驗結果如圖13所示。可以看到，圓形切口剪紙結構的形狀記憶性能呈現可預測的線性趨勢，在150%的應變條件下，圓形切口樣件的恢復率仍能達到60%，而方形切口樣件則整體呈現二次曲線下降趨勢，隨著應變的增大，方形切口樣件的形狀記憶恢復性能將與圓形切口樣件的拉開更大差距。因此，改善SMP剪紙結構的切口形狀能夠提高結構的形狀記憶恢復能力，同時基于圓形切口的形狀記憶恢復特性，根據實際需求設計相應部件，可以在可控破壞范圍內實現部件的變形控制。

3 結論

設計并打印了不同切口和不同打印角度的SMP剪紙結構，進行了多種工況下的拉伸實驗以及形狀記憶恢復實驗，得出以下結論：

1）優化SMP剪紙結構的切口形式能獲得變形能力更強的剪紙結構。在拉伸過程中，方形切口剪紙樣件的局部應力過大，容易導致斷裂時的應變較小，將切口改為圓形切口后能夠改善局部應力，進而提升變形能力，在常溫下拉伸距離從1.75 mm增大到2.50 mm。

2）優化SMP剪紙結構的打印角度能增強結構的變形能力。與打印角度為0°/90°的剪紙結構相比，當打印角度為±45°時，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剪紙結構具有更強的變形能力。方形切口的剪紙結構拉伸應變達到243.8%，圓形切口的剪紙結構拉伸應變達到337.5%，且圓形切口樣件更安全。

4）優化SMP剪紙結構的切口形式能獲得形狀記憶恢復能力更強的結構。當初始應變較低時，方形切口樣件的形狀記憶恢復能力與圓形樣件的接近，當初始應變較高時，方形切口樣件的形狀記憶恢復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

國家重點研發計劃（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構[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）

責任編輯：蔣紅晨