基于自恢复焦耳加热效应的形状记忆聚合物组件的多头MEX 3D打印技术

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Multi-Head MEX 3D Printing of Self-Recoverable Joule-Heating-Based Shape Memory Polymeric Components

形状记忆聚合物（SMPs）通过电刺激实现无外部热源形状恢复，研究采用多喷头材料挤出（MEX）3D打印技术制备PLA基多材料组件，导电网格结构优化及打印参数调整（线宽/层厚）对电热性能和力学性能（最大69%恢复率，81.3MPa抗弯强度）的影响进行有限元模拟与实验验证。

　　

摘要

形状记忆聚合物（SMPs）是一种创新的智能材料，能够在受到特定外部刺激（如热、湿气或光）的作用下恢复到原来的形状。它们能够恢复原有结构的能力使它们在众多应用中具有广泛的应用前景和巨大潜力。某些SMPs可以通过使用材料挤出（MEX）技术的增材制造方法进行加工。本研究探讨了利用多头MEX 3D打印技术来制造基于PLA的形状记忆多材料物体。特别地，由于采用了导电聚合物网格，所制备的形状记忆部件可以通过电流激活。这种创新方法避免了对外部热源的依赖，同时由于焦耳效应，仍能使整个部件的温度超过其恢复温度。因此，本研究的目的是探索无需直接施加热源即可恢复形状的多材料结构。研究首先通过有限元方法对网格几何形状进行了优化，随后通过改变线宽和层厚等打印参数进行了实验优化。这些参数显著影响了材料的电导率和热导率，使打印出的导电网格的均匀性从386Ω提高到了567Ω。此外，不同的实验条件产生了不同的机械性能和形状记忆行为，最大形状恢复率为69%，极限抗弯强度为81.3 MPa。