热塑性弹性体复合材料3D打印中的可控机械各向异性研究

《Macromolecular Materials and Engineering》：Controlled Mechanical Anisotropy in 3D-Printed Thermoplastic Elastomeric Composites

本综述系统探讨了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）与热塑性弹性体（TPE）核壳复合丝材在增材制造领域的创新应用。研究通过调控长丝核壳比和打印路径取向，实现了软质结构力学性能的定向调控。实验证明通过改变0°、±45°和90°铺层序列，可精准控制3D打印结构的拉伸模量（50–2200 MPa）和弯曲模量（50–2600 MPa）。结合复合层压板理论和有限元模拟，为软质复合材料的结构设计提供了理论支撑，在软体机器人、可穿戴医疗设备等领域具有重要应用价值。

　　

摘要概述

本研究探索了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）与热塑性弹性体（TPE）核壳复合丝材在增材制造中的应用，通过调控长丝核壳比和打印路径取向，实现了软质结构力学性能的定向调控。负载框架实验表明，通过改变16层测试样条中0°、±45°和90°铺层序列，可精准控制拉伸模量（50–2200 MPa）和弯曲模量（50–2600 MPa）。非对称铺层结构表现出对弯曲方向的敏感性，而分段设计则实现了局部化弯曲行为。复合层压板理论和有限元模拟能捕捉力学响应趋势，但在高ABS体积分数时会高估结构刚度。

引言

柔性各向异性聚合物结构在软体机器人、航空航天变形结构和可穿戴矫形器等领域具有广泛应用。熔融长丝制造（FFF）因其低成本、易操作和长丝稳定性成为最常用的增材制造技术。然而软材料打印仍面临 buckling、stringing 等技术挑战。近年来，通过调控打印路径取向实现机械各向异性的研究日益受到关注，特别是核壳结构长丝为空间调控刚性/弹性区域提供了新途径。

选择性取向复合材料的拉伸性能

随着核内ABS含量从100%降至30%，打印试样的拉伸模量和强度显著降低。0°取向试样的拉伸性能始终优于90°取向，E₀/E₉₀比值从1.04增至12.17。50%ABS+50%TPE长丝的0°取向拉伸模量为968 MPa，90°取向降至167 MPa，±45°交叉铺层则表现出最佳延展性（断裂应变近50%）。断口分析显示，0°取向在 raster 接触点形成孔隙导致应力集中，而90°取向则沿打印道路焊接面发生破坏。

三点弯曲性能研究

弯曲性能同样受核壳比和铺层取向的协同影响。100%ABS的0°取向试样弯曲模量达2610 MPa，而30%ABS试样降至482 MPa。对称铺层[0°₄/90°₄]_s和[90°₄/0°₄]_s的实验结果与层压板理论预测高度吻合。非对称铺层[0°₈/90°₈]的有限元模拟显示，受拉侧90°铺层中的TPE相出现3.46%的应变局部化，解释了模型高估刚度的现象。

悬臂梁局部化复合材料

分段设计的悬臂梁试样展现出独特的局部弯曲行为。[0°₁₆][90°₁₆][0°₁₆][90°₁₆][0°₁₆]构型中，靠近固定端的90°铺层主导弯曲性能；而反向构型则呈现两阶段弯曲特性。这种可编程的变形行为为软体执行器设计提供了新思路。

应用示范：缆驱手指执行器

将分段铺层技术应用于缆驱手指执行器，0°单向取向试样需要更大驱动力且易发生不可逆破坏，90°取向则表现出完全可逆的柔性变形。通过局部植入90°铺层区域，成功实现了关节处的选择性弯曲。实验数据表明，在远端添加刚性铺层可增强90°区域的弯曲幅度，验证了3D打印分段层压板在柔性驱动系统中的应用潜力。

层压板建模与仿真

材料本构参数通过数字图像相关（DIC）技术获取：ABS弹性模量E^ABS=2.42 GPa，泊松比ν^ABS=0.333；TPE弹性模量E^TPE=23.8 MPa，ν^TPE=0.482。修正混合律（M-ROM）和周期性边界条件有限元（FEM）计算表明，随着ABS体积分数增加，TPE基体中的应变局部化效应加剧（75%ABS时应变放大因子达16.4），导致实验值低于线性预测。

复合层压板理论（CLT）分析

拉伸响应采用n₀E₁₁+n₉₀E₂₂简化公式预测，弯曲分析则通过变换截面法计算有效惯性矩。对于50%ABS+50%TPE的[0°₄/90°₄]_s层压板，理论弯曲刚度预测值（4.77 N/mm）与有限元结果（5.05 N/mm）高度一致，但均高于实验值（3.70 N/mm），再次证实了TPE非线性软化的影响。

结论与展望

本研究证实通过核壳结构长丝和多层铺层设计，可实现3D打印结构力学性能的精准调控。50:50和70:30的TPE:ABS体积比下，平行于打印方向的刚度可达垂直方向的5-10倍。传统复合材料分析工具可有效预测各向异性行为，为快速定制复杂结构提供了技术支撑。未来可探索更低硬度TPE材料、多材料组合及非线性本构模型，进一步拓展在仿生结构和智能装备中的应用边界。

材料与方法

采用SABIC的ABS Cycloac MG94和杜邦TPSiV 4200–75A TPE，通过自主设计的共挤出系统制备核壳长丝。Prusa MK3+ 3D打印机配合Ideamaker切片软件，在210°C喷嘴温度、75°C热床温度下打印ASTM标准试样。通过调整挤出倍数实现≥95%的填充密度，确保层间粘结质量。力学测试采用Instron万能试验机，拉伸速率5 mm/min，三点弯曲跨距50 mm，悬臂梁测试跨距75 mm。