【原】齐鲁工业大学《CS》：3D打印聚乳酸点阵结构增强硬质聚氨酯泡沫复合材料的压缩和弯曲性能研究

导读

       轻量化硬质聚氨酯泡沫（RPUF）复合材料由于具有良好的力学性能，在众多工程应用中被大量要求。RPUF由多元醇和聚异氰酸酯聚合而成，其硬度和柔韧性可通过调控反应组分来调整。硬质聚氨酯泡沫塑料（RPUF）是建筑、汽车、制冷和家具行业中最重要的绝缘材料之一。此外，RPUF也可用作缓冲、包装和能量吸收材料。近几十年来，由于RPUF复合材料具有轻质高强、良好的刚度和理想的抗冲击性能等优点，越来越受到关注。RPUF复合材料可分为以下三类：

I）掺有颗粒或纤维填料添加剂的RPUF；

II）具有刚性三维核的RPUF，如波纹、蜂窝和点阵结构；

III）夹层板RPUF，其中RPUF或I/II类RPUF复合芯夹在两个特定材料的板材之间。

       点阵结构通常作为支撑网格用于II/III类RPUF复合材料中的节点连接。简单的几何结构具有足够的刚度和高的承载性能，可以达到轻量化，进而最大限度地减少材料成本。与晶体点阵相似，点阵结构可以用“单胞”来表示。在空间期望方向上可通过系统地或随机地重复单胞形成点阵结构。然而，除了蜂窝和棱锥点阵等基本结构外，通过传统方法制备点阵结构是一个复杂、昂贵且具有挑战性的过程。增材制造的最新发展为RPUF研究和点阵开发开辟了新的途径，特别是，3D打印能够快速、高效地生产具有复杂几何形状的点阵结构，这在之前的减材制造中是不可能的。

       3D打印是一种从3D模型数据中逐层创建三维对象的增材过程。3D打印技术的发展和商业化为制造各种点阵结构提供了另一种可能性。熔丝制造（FFF），也被称为熔融沉积建模（FDMTM），具有可靠性、简单性、可购性等。聚乳酸（PLA）长丝是一种以可再生生物质，也是是最受欢迎的生物基材料之一。研究表明，PLA是一种通过FFF工艺适合3D打印点阵结构的材料。

       目前，关于RPUF复合材料的研究大多数集中在蜂窝结构和波纹结构，关于填充RPUF（II类）的3D打印塑料点阵芯性能的讨论还比较有限。为此，齐鲁工业大学的Yubo Tao（第一作者），Peng Li（通讯作者）及其团队在《Composite Structures》上发表了题为“Compression and flexural properties of rigid polyurethane foam composites reinforced with 3D-printed polylactic acid lattice structures”的文章，该文通过FFF工艺借助多孔RPUF在PLA点阵骨架周围发泡对两种类型的点阵结构进行了3D打印，采用实验和建模方法研究了PLA点阵对两相RPUF复合材料压缩和弯曲性能的影响，为了更好地理解嵌入3D打印点阵骨架对RPUF复合材料力学性能的影响，作者选择了两种结构相似的单胞来构建点阵，分别为立方金刚石和立方萤石结构。

内容简介

       如图1所示，作者在AutoCAD软件中创建了两类单胞数字3D模型来研究点阵结构。图1a为“立方钻石”模型（UC1），所有单胞的尺寸为10mm×10mm×10mm，支柱的直径为1mm。此外，将单胞以3（列）×3（行）×3（层）排列以用于压缩测试，以12（列）×2（行）×2（层）排列用于弯曲实验。同样，“立方萤石”模型（UC2），其点阵结构也以类似的方式构建（如图1b）。UC2的支柱数量是UC1的两倍。点阵l和点阵2的体积分数分别为4.75%和9.5%。对UC1和UC2的设计基于以下原因：

（a）传统减法难以制造3D打印几何复杂点阵，可以扩大点阵选择进而构造结构材料。

（b）将支柱与XY平面之间的夹角限制在45°以下，消除了对支撑结构的需求，降低了FFF工艺的总成本。

（c）立方金刚石和立方萤石单胞结构相似，可以通过比较体积分数或点阵密度研究其对压缩和弯曲性能的影响。

图1　用于压缩和弯曲实验的点阵结构设计（a）单胞1；（b）单胞2

       3D打印点阵如图2a所示。泡沫在发泡过程中包围并填充点阵结构，如图2b所示。将固化后的泡沫复合材料取出，根据点阵尺寸手动切割，室温静置48h，该文所指的点阵1和点阵2的复合材料分别为RPUL1和RPUL2。如图2c和d所示，通过万能试验机测量试样的压缩和弯曲性能。

图2　（a）3D打印点阵结构；（b）样品制备过程中发泡形成；（c）压缩测试；（d）弯曲测试

       作者通过Inventor软件模拟了RPUF点阵复合材料的压缩和弯曲行为，如图3所示。

图3　（a,d）压缩与弯曲建模；（b,e）压缩与弯曲模拟的载荷设置、约束、网格划分；（c,f）压缩与弯曲的模拟结果

       图4a为RPUF、点阵结构及其复合材料的压缩应力-应变曲线；由图4b可以看出，压缩模量和弹性极限随复合材料密度的增加呈线性增加；试样的能量吸收行为如图4c所示。

图4　（a）压缩应力-应变曲线；（b）压缩模量和弹性极限与密度；（c）能量吸收-应变曲线

       图5a为RPUF、RPUL1和RPUL2的弯曲载荷-位移曲线。所有试样均表现为近线性弯曲行为；图5b为RPUF、RPUL1和RPUL2的弯曲强度和弯曲模量图，与纯RPUF相比，RPUL1和RPUL2在这两种性能上都有显著改善。

图5　（a）RPUF、RPUL1、RPUL2典型的弯曲载荷-位移曲线及断裂行为；（b）RPUF、RPUL1、RPUL2的抗弯强度和抗弯模量

       图6a为RPUF、点阵结构和结构复合材料的压缩模拟结果，仿真结果的变化趋势与图6b中的压缩实验相吻合。图6c为RPUF、RPUL1和RPUL2的三点弯曲模拟试验结果。在相同荷载作用下，材料的弯曲位移由大到小依次为RPUF、RPUL1和RPUL2。

图6　RPUF、点阵结构和结构材料的压缩载荷-位移特性：（a）模拟与（b）试验；RPUF、RPUL1、RPUL2的三点弯曲载荷-位移特性（c）模拟与（d）试验

图7　（a）压缩载荷下点阵结构的应力分析；（b）压缩载荷下RPUF内部点阵结构的应力分析；（c）RPUF在模拟三点弯曲试验中的应力分析；（d）复合材料在模拟三点弯曲试验中的应力分析

小结

（1）与纯RPUF相比，结构RPUF复合材料具有更高的弹性极限、压缩模量、能量吸收能、弯曲强度和弯曲模量。实验结果表明，结构聚氨酯复合材料的压缩性能和弯曲性能超过了各组分各自性能的总和。点阵骨架有效地加固了泡沫材料，RPUF也增强了支撑的稳定性。此外，FEA验证了实验结果。

（2）不同的单胞设计导致了材料密度的较大变化。点阵2的体积分数是点阵l的两倍，也表现出更大的弹性极限、压缩模量和能量吸收能力。此外，复合点阵结构中支柱数量与结构复合材料的抗弯性能呈正相关。

（3）3D打印技术，特别是FFF技术，可以用于构造复杂三维RPUF几何点阵结构。泡沫不仅能稳定点阵结构，点阵也能显著改善泡沫材料的压缩和弯曲性能。

原始文献：Syed Fahad Hassan , Saratchandra Kundurthi , Suhail Hyder Vattathurvalappil，et al.A hybrid experimental and numerical technique for evaluating residual strains/stresses in bonded lap joints[J].Composites Part B，2021，225：109216.

稿件整理：caixf95  （感谢投稿）

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