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多材料3D打印:测试分级的生物启发复合材料

时间:2020-01-16 10:42 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
      中国3D打印网1月16日讯,代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员在最近发表的《由多材料3D打印制成的生物启发的功能梯度软硬复合材料的断裂行为:共线裂纹的情况》中,进一步探索了功能梯度的影响与众多技术应用有关的材料,例如航空航天或医学。在这项研究中,研究小组着重于逐步和连续梯度的测试,并指出FGM作为“多相”复合材料,可以满足机械,热,电等方面的要求。尽管FGMS可以应用于多个学科,但它们也可用于以下领域:
.隔热涂层
.压电装置
.热电设备
.压力缸不均匀
.牙科植体
.生物相容的梯度水凝胶
.软机器人
.组织工程支架
       FGM在自然界中也见于骨骼和牙齿等硬组织中,并且由于可以消除硬-软界面而在现代应用中具有优势-有助于避免裂缝,分层和对结构完整性的损害。研究人员说:“因此,功能梯度的概念是起源于自然的设计主题之一,并且可以在高级功能材料的设计中实现,而这些功能是使用均质材料无法实现的。”FGM还可以提高整体性能,可以为必要的应用定制材料,并提高产品的使用寿命。随着增材制造的不断发展,制造既复杂又“精确控制”的女性生殖器官的潜力更大。“在过去的几年中,通过材料喷射工艺已经出现了先进的多材料增材制造技术,该技术可以将沉积的材料控制在体素水平(即,长度尺度在几十微米的范围内)使用这些新兴技术,可以在很小的尺度上精确地控制三维空间内机械性能的空间分布。”
         虽然已知FGM可能引起应力,破裂等,但研究小组解释说,了解3D中的FGM断裂行为非常重要。他们创建了断裂力学模型来确定断裂模式和裂纹方向,强调了从硬到软的阶段。将10个样品进行3D打印以进行拉伸测试,并分为以下几组:
.突然的软硬连接,没有渐变
.逐步渐变结构的三种变体(5步,10步,15步)
.具有两个不同梯度函数的连续渐变结构,即S型和线性函数

     对于未分级(b)和分级(c,d)的试样,其初始裂纹与梯度方向(a)共线的单边缘缺口拉伸试样的示意图。硬相和软相之间的过渡区域具有两个梯度函数,即(i)逐步(5步,10步和15步)和(ii)连续(S型和线性)。补充文件的图S1中显示了显示不同梯度函数的示意图。硬相和软相之间的过渡长度的大小也有所不同。考虑过渡长度的三个等级,即样品宽度(W)的5%,25%和50%。设计矩阵在(e)中给出。白色和黑色像素分别代表硬相和软相。几何参数为L = 75毫米,W = 75毫米,L0 = 100毫米和a0 = 15毫米

     样品是使用Objet350 Connex3TM 3D打印机创建的,其中VeroMagentaTM用于硬度,而Agilus30TM Black用于软相。所有样品的应力应变均相同,其曲线包括在拉伸过程中力线性增加,然后在脆性断裂时力突然降低。在第二阶段,武力一直持续到结束,这时导致断裂。


(a)具有渐变或非渐变界面的样品的典型应力-应变曲线。插图显示了应力-应变曲线的放大图,直到应变为4%。使用具有五个步骤(b)和线性(c)转换函数的标本的数字图像相关性(DIC)进行全场应变测量。 DIC图像显示最大载荷之前(*),最大载荷(**)以及最大载荷(***)之后的von Mises应变。在子图(d)和(e)中显示了具有五个步骤和线性跃迁函数的标本的断裂表面的数字显微镜图像(放大200倍)和相应的扫描电子显微镜(SEM)(放大35,000倍)分析。 , 分别。 SEM图像显示了结构的八个区域的放大图像。数字显微镜图像的比例尺在相应图像的上方和SEM图像的下方。硬相为白色像素,而软相为黑色。样品的跃迁长度为100%W(以图为单位)(b–e)。
        研究人员总结说:“我们发现,与其他方向的断裂不同,对于与梯度方向共线的裂纹,所测量的断裂特性(例如,断裂应变)似乎有所改善。”另一方面,具有连续梯度的FGM显示出更高的刚度和断裂能。这表明,梯度函数的类型(即连续或不连续)可能会根据裂缝相对于梯度方向的取向不同地影响FGM的断裂行为。更重要的是,除了梯度函数的类型之外,硬相和软相之间的过渡区的长度是影响FGM对裂纹扩展的耐断裂性的最关键参数,这些先进材料的设计中必须包括这些参数。 ”
          随着用户越来越多地使用3D打印在原型上创建功能部件,研究人员和制造商进一步研究了材料的强度测试,是否使用碳进行测试,寻求不破损的刚性,使用形状记忆进行创新等等。
条形图用于比较十组试样的机械性能
       条形图用于比较十组试样的机械性能,包括弹性刚度(a),断裂应力(b),断裂能(c)和最终应变(d)。补充文件的表S2中汇总了计算得到的断裂特性的统计参数。使用ANOVA分析和事后Tukey诚实诚实差异(HSD)测试来确定不同组之间是否存在显着差异。比较表列在补充文件的表S3-S6中。 Ashby图将断裂能与弹性刚度(e)和断裂应力(f)进行比较。这些图显示了每个数据点的平均值和标准偏差。从[30]中采用整体式硬质和软质试样的断裂性能。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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