4D打印PLA铰链形状记忆性能优化：几何结构与工艺参数效应的集成研究

本研究针对4D打印PLA铰链形状记忆性能优化难题，通过Taguchi实验设计系统分析了铰链厚度、长度、打印速度和训练温度等参数对恢复率和耐久性的影响。研究发现最优参数组合（厚度0.8 mm/长度0.6 mm/打印速度50 mm/s/训练温度65°C）可实现99.53%的初始恢复率，并成功应用于折纸启发的可展开结构。该研究为4D打印智能结构在航空航天和软机器人领域的应用提供了定量指导。

　　

随着智能材料领域的快速发展，4D打印技术为制造能够响应外部刺激的智能结构开辟了新途径。其中，形状记忆聚合物（SMP）因其能在热、光等刺激下恢复原始形状的特性而备受关注。聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解、低成本且具有优异形状记忆性能的热塑性材料，特别适用于熔融沉积成型（FDM）技术制造的4D打印结构。然而，在可展开结构的关键部件——铰链的设计中，如何平衡几何参数与工艺参数以实现高恢复率和长寿命，仍是当前研究的核心挑战。现有研究多集中于材料开发或单一参数优化，缺乏对铰链几何形状和打印参数协同作用的系统研究，特别是对重复作动耐久性的关注不足。

为深入探究这一问题，研究人员在《Materials Reports: Energy》上发表了针对4D打印PLA铰链形状记忆性能的集成研究成果。本研究采用Taguchi实验设计方法，系统分析了铰链厚度、长度、打印速度和训练温度等多个参数对形状恢复性能的影响机制，并首次揭示了训练温度与铰链寿命之间的权衡关系。

研究采用的主要技术方法包括：利用熔融沉积成型（FDM）技术制备不同几何参数的PLA铰链试样；通过动态热机械分析（DMA）确定材料的玻璃化转变温度（T_g）；采用Taguchi L9正交阵列设计实验方案；使用水浴加热法进行形状记忆训练和恢复测试；通过多项式回归模型量化恢复速率；开展最多50次的循环耐久性测试验证寿命性能。

2.1. 材料与FDM工艺

研究使用Raise3D提供的PLA丝材，在严格控制湿度的环境下进行打印。通过DMA测试确定PLA的玻璃化转变温度约为65°C，为后续训练温度的选择提供依据。打印参数设置基于供应商推荐值，其中喷嘴温度（195-215°C）和打印速度（30-70 mm/s）作为主要变量进行研究，其他参数如打印床温度（60°C）、层高（0.2 mm）和填充密度（100%）保持恒定。

2.2. 实验程序

形状记忆训练流程包括三个关键步骤：首先将铰链样品在实验温度的热水中浸泡30秒实现变形；随后在25°C冷水中浸泡10秒固定临时形状；最后放回实验温度的水浴中直至完全恢复。每个实验条件至少进行三次重复测试以确保结果可靠性。

2.3. 铰链变形表征

2.3.1. 形状恢复率

通过测量四个关键点的坐标计算恢复角θ_r，定义恢复比率R_r = θ_r/π。研究发现样品6出现了超过100%的过度恢复现象（101.44%），这可能是由于几何非线性和玻璃化转变区域附近的热效应共同导致。

2.3.2. 形状恢复速率

恢复速率通过恢复比率随时间变化的斜率来量化，以0.12°/s作为恢复完成的阈值标准。多项式回归模型用于拟合时间依赖的恢复曲线，其斜率定义为恢复速率。

2.4. Taguchi设计方法

采用L9正交阵列显著减少了实验次数，从全因子设计所需的81次减少到9次。使用"越大越好"的信噪比（S/N）策略来优化恢复性能，通过计算各因素在不同水平下的平均η值来识别最优参数组合。

2.5. 寿命测试

通过在65°C、75°C和85°C三种训练温度下进行最多50次的循环测试，评估不同铰链尺寸的寿命特性。结果显示训练温度对铰链寿命有显著影响。

3.1. FDM 3D打印PLA的动态力学分析

DMA测试显示PLA的T_g约为65°C，tan δ峰值出现在75°C。在约105°C观察到再结晶现象，这与FDM打印过程中典型的快速冷却条件相关，导致PLA中形成δ-晶体结构。

3.2. 铰链几何和打印参数优化

主效应分析表明，训练温度是对形状记忆性能影响最显著的因素，其次是铰链的t/l比值。最优参数组合为喷嘴温度205°C、打印速度50 mm/s、训练温度65°C、铰链几何t/l=0.6/0.8（样品6），但其存在过度恢复问题。因此选择样品8（t/l=0.8/0.6）作为更合适的参数集，其在保持高恢复性能（99.53%）的同时避免了过度恢复。

3.3. 训练温度对铰链样品寿命的影响

寿命测试表明，在65°C训练的样品寿命最长，初始恢复率达到99.53%，经过35次循环后稳定在25%左右。而75°C和85°C训练的样品分别仅经过13和6次循环就收敛到相似的较低值（约24%）。恢复时间测试显示，较高的训练温度可加速恢复过程。

3.4. 几何参数对铰链样品寿命的影响

不同铰链尺寸的寿命测试显示，所有样品最终都稳定在24-25%的恢复率范围内，表明收敛后的形状恢复率不受铰链几何形状的显著影响。几何形状也决定恢复动力学，t/l比值较低的样品恢复更快。

3.5. 使用设计铰链驱动可展开结构

将优化后的铰链设计（t=0.8 mm，l=0.6 mm）应用于折纸启发的可展开结构，八个均匀厚度的面板通过八个优化铰链连接。在65°C加热时，结构可折叠成紧凑体积，冷却后固定形状；重新加热到65°C时，在8秒内完全恢复到原始部署配置，展示了快速准确的响应能力。

研究结论表明，铰链恢复行为强烈依赖于几何设计，当训练温度与PLA的玻璃化转变区域重合时，寿命和恢复性能都得到增强。寿命测试证实，在65°C训练的样品降解速度最慢，经过35-50次循环后仍保持约25%的恢复率，而较高训练温度导致更快下降和更短寿命。这些发现强调PLA铰链虽然在第一次循环中能够实现近乎完全的恢复，但在重复作动下会出现显著的R_r损失。

与大多数报道的形状记忆行为不同，本研究展示了PLA在高度局部化区域内的形状恢复，功能类似于驱动的旋转关节。优化后的铰链设计促进了具有大且可控形状变换的可展开结构的驱动。尽管取得了这些进展，但仍存在几个局限性：需要明确测量R_f以完成形状记忆周期的完整表征；过度恢复行为的机制需要深入研究；在空气或真空环境下的长期稳定性仍有待验证。

该研究通过系统优化4D打印PLA铰链的几何和工艺参数，为实现高性能可展开结构提供了重要技术支撑，为航空航天、软机器人和生物医学设备等领域的智能变形结构设计提供了定量指导和方法学参考。未来工作将集中于探索替代形状记忆聚合物和复合材料以获得更可编程的变形轮廓，研究过度恢复的详细机制，并将测试扩展到现实应用环境中，从而增强4D打印铰链在先进可展开系统中的鲁棒性和适用性。