3D打印形状记忆智能剪纸结构

刘志鹏，韩宾，李芸瑜，张琦

3D打印形状记忆智能剪纸结构

刘志鹏，韩宾*，李芸瑜，张琦

（西安交通大学 机械工程学院，西安 710049）

探究不同切口及不同打印角度形状记忆剪纸结构的拉伸力学性能及形状记忆恢复性能，获得具有较好变形能力和形状记忆恢复能力的智能化剪纸结构。使用FDM打印不同角度的剪纸结构样件，并利用激光切割机获得具有方形切口和圆形切口的样件。对打印角度为0°/90°、±45°的方形切口和圆形切口样件进行常温拉伸实验。为探究温度的影响，进行高温缓慢拉伸实验和高温快速拉伸实验；对比方形切口件和圆形切口件在不同初始应变下的形状记忆恢复能力。在常温下，打印角度为0°/90°的方形切口样件的拉伸距离为1.75 mm，圆形切口样件的拉伸距离为2.50 mm；±45°打印角度的方形切口样件的拉伸距离为3.25 mm，圆形切口样件的拉伸距离为3.00 mm。在高温下，材料进入高弹态，2种切口样件在200%拉伸应变下均未断裂；提高拉伸速率后，方形切口样件的拉伸应变为243.8%，圆形切口样件的拉伸应变为337.5%。将打印角度从0°/90°改为±45°后，方形切口和圆形切口剪纸结构的变形能力均增强。相比于方形切口，圆形切口剪纸结构具有更好的变形能力。高温下剪纸结构的变形能力大大增强；圆形切口剪纸结构样件的形状记忆恢复能力强于方形切口样件的。

3D打印；形状记忆；剪纸结构；切口形状；结构设计

3D打印技术是通过计算机辅助模型设计并通过逐层添加材料的方式来制造三维实体结构的一种方法[1]，可以根据实际需要生产几何复杂且高度个性化的结构[2]。近年来，在医学、建筑、航空航天等多个领域得到了迅速发展及广泛应用[3-5]。

形状记忆聚合物（SMP）可以在外部刺激下从程序化的临时形状恢复至初始形状[6]，不同的程序化设计可以使SMP具有不同的临时形状，但只能有一种永久形状。形状记忆聚合物复合材料具有较强的变形恢复能力和较高的模量，根据外部刺激强度的不同，响应速度在几秒到几分钟之间[7-8]，在航空航天、软机器人、4D打印等领域具有广阔的应用前景[9]。随着4D打印技术的发展，SMP与4D打印的结合也成为了一个研究热点[10-12]。邓攀等[13]在形状记忆材料中填充了磁性物质，使用DIW的方式制备了磁响应形状记忆复合材料，探究了其在磁场作用下的形状记忆性能。张静等[14]研究了预聚物比例和稀释剂添加量对形状记忆材料力学性能和形状记忆恢复能力的影响，并通过微观形貌分析了力学性能不同的原因。郝天泽等[15]总结了4D打印技术的发展现状及基本原理，分析了形状记忆聚合物在不同外界激励下的变形方式及恢复特点，对形状记忆聚合物存在的问题及发展方向进行了总结。

剪纸作为一种古老的纸工艺技术，为各种工程应用提供了新的方法，众多学者利用剪纸技术成功制备了可拉伸能量设备、可穿戴传感器、具有组织工程的自折叠支架等。基于Kirigami的技术涉及基板的折叠和切割，这一技术从宏观尺度到微观尺度都具有广泛应用[16-18]。剪纸技术实现了对材料机械、电气和光学特性的灵活设计[19]。肖思等[20]在弹性薄板上引入了切口，构建了多边形辐射对称金字塔型剪纸结构，通过实验和仿真的方式，研究了金字塔型剪纸结构的力学响应特征。韩同伟等[21]将剪纸技术应用到纳米尺度上，通过添加圆角矩形切口得到了具有大变形拉伸效果的石墨烯剪纸，并探究了切口几何参数对剪纸力学性能的影响。此外，剪纸技术不仅可以应用到常规的纸张、金属材料中，还能应用到智能材料、纳米复合材料等先进材料中。通过引入计算机辅助切割、光刻技术/蚀刻和直接打印工艺可实现灵活定制结构特性[22-25]，例如可重构性、超拉伸性和电气可靠性，使不同领域的研究人员能够为各种工程应用构建对应的功能结构[26-31]。

目前，关于SMP的研究大都集中在材料制备及驱动形式上，而对SMP结构变形能力的关注甚少，通过结构设计的方式提高形状记忆结构的变形能力可以扩大SMP的应用范围。本文基于剪纸结构大变形特点，结合SMP特殊的性能，利用增材制造技术获得了不同打印参数和不同切口形状的智能剪纸结构。通过探究不同打印角度、高温条件下不同拉伸速率、不同初始应变下不同切口的形状记忆恢复能力，得到影响剪纸结构变形能力的因素及改善剪纸结构形状记忆恢复能力的方法，以期为形状记忆智能剪纸结构的设计提供参考。

1 实验设计

1.1 实验样件制备

实验样件使用SMP材料（国产易生e-Sun品牌），在打印前对SMP材料进行动态热机械分析以获得其玻璃化转变温度，实验所使用的SMP材料的玻璃化转变温度为50 ℃。

实验样件使用FDM进行打印，样件规格为40 mm×20 mm×2 mm，通过探索打印工艺，得到最佳打印参数如下：打印温度为200 ℃，平台温度为35 ℃，打印速度为50 mm/s。样件打印完成后在两端设置夹持端，并使用Nova 35型号的雷宇激光切割机以4 mm为间隔对样件表面进行激光开槽，激光功率为80 W，切割速度为60 mm/s，开槽缝隙为0.1 mm。激光切割所开切口末端分为方形与圆形（直径为0.4 mm）2种，此外，设置不开槽样件作为初始对照组，具体样件如图1所示。

1.2 不同打印角度拉伸实验及仿真

首先使用最佳打印参数打印SMP样件，打印方式为4层纵横交错打印，即打印角度为0°/90°，打印完成后使用激光切割机切槽。为探究开口类型对SMP样件力学性能的影响，对制备完成的不同切口样件在常温条件下进行准静态拉伸实验，拉伸实验使用INSTRON 5982万能实验机，拉伸速度设置为1 mm/min。

图1 剪纸结构样件示意图

为探究打印角度对SMP样件力学性能的影响，打印±45°的SMP样件，与0°/90°样件进行相同处理后在INSTRON 5982万能实验机上进行拉伸实验，拉伸速度设置为1 mm/min。实验完成后分析不同样件的断裂方式，比较不同样件的拉伸能力。

为得到样件拉伸时的应力分布情况，对2种切口的剪纸结构进行有限元仿真，通过UMAT子程序导入有限元模型的材料参数，边界条件设置如下：一端固定，在另一端施加10 mm的位移。得到仿真结果后，观察对比应力-应变分布情况，并结合实验现象对断裂方式进行分析。

1.3 高温缓慢拉伸实验

在高于玻璃化转变温度条件下，SMP材料转变为易于变形的高弹态。为探究高温下剪纸结构的拉伸力学性能，进行高温缓慢拉伸实验。实验样件的打印角度为0°/90°，由于拉断应变未知，初步设置样件的拉伸终止应变为200%，全程在保温箱（55 ℃）中进行拉伸，拉伸速率设置为1 mm/min，拉伸过程可视为准静态过程，以保证材料内部链段有充足的时间稳定其构型。高温拉伸实验使用的实验样件打印角度为0°/90°。

1.4 高温快速拉伸实验

探索SMP结构在玻璃化转变温度下的破坏极限对实际设计与使用具有重要参考意义。为探究SMP样件拉断时的应变，考虑到保温箱的纵向尺寸不足以支撑未知的拉伸极限距离，在实际实验中可通过后退保温箱快速拉断样件。为了减小环境对样件的影响，使样件温度在拉伸过程中始终保持在玻璃化转变温度以上，将拉伸速率设置为10 mm/s，是缓慢拉伸速率的600倍。

1.5 不同应变下的形状记忆效应测试

对打印角度为0°/90°的2种切口样件进行形状记忆效应测试，探索切口类型对样件形状记忆恢复能力的影响。每组样件共设置15个等距应变，从10%到150%。使用INSTRON 5982万能实验机进行拉伸，在保温箱中拉伸至指定应变后，撤去保温箱进行充分冷却，待样件形状固定后取下。冷却固定后不同应变的圆形切口样件示意图如图2所示，圆形切口和方形切口样件每组各有15个，此处仅作部分展示。将样件形状固定后，统一采取水浴的形式进行形状恢复，水温保持在50 ℃，水浴时长为3 min。

图2 形状记忆测试中不同应变的样件示意图

2 结果与分析

2.1 不同打印角度拉伸实验及仿真结果

0°/90°打印的SMP样件拉伸实验结果如图3所示。可知，当拉伸距离达到0.75 mm时，未开槽的样件载荷达到730 N，拉伸样件断裂；而进行开槽处理的2组样件的载荷均未超过110 N，其中，圆形切口样件比方形切口样件的最高载荷低9.1%。方形切口样件和圆形切口样件的拉伸距离分别为1.75 mm和2.5 mm，对比可知，开槽能够减小拉伸应力，增大拉伸距离。与方形切口样件相比，圆形切口样件的局部应力更小，拉伸距离更大，变形能力更强。因此，对SMP剪纸结构的切口形式进行优化，可以提高剪纸结构的拉伸能力。

图3 0°/90°样件常温拉伸实验载荷-位移曲线

2种不同切口样件的断裂分析结果如图4所示。将B、D缺口定义为横向缺口，A、C缺口定义为纵向缺口。方形切口样件的最上层打印角度平行于开缝方向（定义为横向），因此，当横纵裂缝同时出现时，横向先断。圆形切口样件的最上层打印角度垂直于开缝方向（定义为纵向），当横纵裂缝同时出现时，纵向带动横向断裂。断裂处接口均为平整状。

图4 0°、90°样件常温拉伸下不同缺口的断裂细节图

±45°打印的SMP样件拉伸实验结果如图5所示。可知，改变打印角度后，方形切口样件的拉伸距离由1.75 mm增大到3.25 mm，圆形切口样件的拉伸距离由2.5 mm增大到3.00 mm。就最大载荷而言，相比于0°/90°打印样件，2种切口的波动幅度均未超过10%，打印角度对最大承载能力的影响并不明显，而对结构拉伸能力的影响较大，优化打印角度能够提高剪纸结构的变形能力。结合断裂与仿真情况，对这一现象进行深入分析。样件的实际断裂情况如图6所示。可以看到，方形切口样件没有出现纵向缺口，且横向缺口呈现黏稠状的断裂，有轻微拉丝；圆形切口样件存在横向和纵向缺口，横向缺口也呈现相同的拉丝迟滞现象。因此，±45°打印的样件给断裂带来了一定的迟滞影响，同时也证明了优化打印角度能够提高剪纸结构样件的变形能力。

从图5可以看出，圆形切口样件的拉伸距离低于方形切口的，为解释这一现象，分析了±45°打印角度下方形切口和圆形切口样件断裂危险点示意图，如图7所示。可知，当打印角度改为±45°后，圆形切口样件有更多的断裂危险点，更容易发生断裂。因此，改变打印角度对方形切口样件拉伸距离的提升效果强于圆形切口样件的。

图5 ±45°样件常温拉伸实验载荷-位移曲线

图6 ±45°样件常温拉伸下不同缺口的断裂细节图

图7 2种切口在±45°打印角度下的断裂危险点示意图

2种切口的拉伸仿真应力-应变结果如图8所示。可以看到，方形切口样件的应力集中于H、I两处，且H处应力高于I处应力，故H处先发生断裂，H处的断裂能够为I处提供缓冲，因此I处不会发生直接断裂，而是出现裂纹。圆形切口的应力集中于J、K两处，两处的应力-应变差距不大，在实际实验中，J、K处断裂基本同时发生，不存在缓冲过渡，因此会出现两处断裂。因此，可以通过设计切口形式来增强剪纸结构的变形能力，同时可以结合打印角度进行断裂性能改善。

图8 2种切口的拉伸仿真应力-应变结果

2.2 高温缓慢拉伸实验结果

高温缓慢拉伸样件的载荷-位移曲线如图9所示。可以看出，2种切口样件在200%的拉伸应变下均未断裂，这是由于SMP材料在高温下进入了高弹态，材料内部链段开始运动，使SMP材料模量大大降低，形变率增大，同时拉伸速率较慢，材料内部链段有更长的时间稳定其构型，因此2种切口样件均未被拉断。对比方形切口样件和圆形切口样件的载荷情况可知，在同等位移条件下，圆形切口样件的载荷明显低于方形切口样件的，这也进一步说明优化切口形式能够降低结构局部应力，增强变形能力。

缓慢拉伸实验细节如图10所示。在200%应变条件下，2种切口的样件均未产生诱导性裂纹，这说明2种切口的样件在缓慢拉伸速率下有更高的拉断应变，变形能力更强，SMP材料在进入高弹态后拉伸能力大大增强。

图10 高温缓慢拉伸样件细节图

2.3 高温快速拉伸实验结果

高温快速拉伸样件的载荷-位移曲线如图11所示。在前200%的应变范围内，理论上该结果应当与缓慢拉伸实验的结果保持一致，即应力不超过20 N，而该项实验所得的数值均超过45 N，这是因为一方面，样件已经脱离保温箱，没有处于保温状态，温度有所降低，样件逐渐发生硬化；另一方面，不同的拉伸速率使SMP材料内部链段构型不同，这对结果也有一定影响。由图11可得，方形切口样件的拉断应变为243.8%，圆形切口样件的拉断应变为337.5%，受环境温度影响，两者数值是一个偏低的参考值。基于上述分析可知，在高温条件下，圆形切口样件具有更强的拉伸变形能力。

图11 高温快速拉伸样件的载荷-位移曲线

高温快速拉伸实验的样件细节图如图12所示。可知，当同样拉伸至样件发生断裂时，方形切口样件在不同部位均产生了裂纹，而圆形切口样件则不存在裂纹，裂纹的存在将降低样件的拉伸能力。这也进一步说明在大变形拉伸条件下，SMP剪纸结构采用圆形切口的剪纸方式比方形切口更安全。

图12 高温快速拉伸实验的样件细节图

2.4 不同应变下形状记忆测试实验结果

经过多点测量与检核，不同初始应变下的剪纸结构形状记忆恢复实验结果如图13所示。可以看到，圆形切口剪纸结构的形状记忆性能呈现可预测的线性趋势，在150%的应变条件下，圆形切口样件的恢复率仍能达到60%，而方形切口样件则整体呈现二次曲线下降趋势，随着应变的增大，方形切口样件的形状记忆恢复性能将与圆形切口样件的拉开更大差距。因此，改善SMP剪纸结构的切口形状能够提高结构的形状记忆恢复能力，同时基于圆形切口的形状记忆恢复特性，根据实际需求设计相应部件，可以在可控破坏范围内实现部件的变形控制。

3 结论

设计并打印了不同切口和不同打印角度的SMP剪纸结构，进行了多种工况下的拉伸实验以及形状记忆恢复实验，得出以下结论：

1）优化SMP剪纸结构的切口形式能获得变形能力更强的剪纸结构。在拉伸过程中，方形切口剪纸样件的局部应力过大，容易导致断裂时的应变较小，将切口改为圆形切口后能够改善局部应力，进而提升变形能力，在常温下拉伸距离从1.75 mm增大到2.50 mm。

2）优化SMP剪纸结构的打印角度能增强结构的变形能力。与打印角度为0°/90°的剪纸结构相比，当打印角度为±45°时，方形切口的拉伸距离从1.75 mm增大到3.25 mm，圆形切口的拉伸距离从2.50 mm增大到3.00 mm。

3）高温下的SMP剪纸结构具有更强的变形能力。方形切口的剪纸结构拉伸应变达到243.8%，圆形切口的剪纸结构拉伸应变达到337.5%，且圆形切口样件更安全。

4）优化SMP剪纸结构的切口形式能获得形状记忆恢复能力更强的结构。当初始应变较低时，方形切口样件的形状记忆恢复能力与圆形样件的接近，当初始应变较高时，方形切口样件的形状记忆恢复能力不及圆形切口样件的。

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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

国家重点研发计划（2022YFB4603103，2022YFB4601804）

National Key R&D Program of China(2022YFB4603103, 2022YFB4601804)

刘志鹏, 韩宾, 李芸瑜, 等. 3D打印形状记忆智能剪纸结构[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）

责任编辑：蒋红晨