面向 4D 打印的纤维增强热塑性复合材料的材料表征与精确有限元分析
计算几何
2020-11-10 v2 应用物理
摘要
四维（4D）打印是从增材制造（3D 打印）中兴起的一项新技术，以其将 fabrication 后形状变化编程入制品的能力而广为人知。尤其基于熔融沉积建模（FDM）的 4D 打印使用热塑性塑料生产制品，并需要计算分析以辅助复杂几何的设计过程。然而，这些制品对结构载荷较弱，且设计质量可能受不准确材料模型与数值模拟的限制。为解决这些问题，本文提出由两种材料——聚乳酸（PLA）与碳纤维增强 PLA（CFPLA）——制成的复合材料结构设计，以提高 4D 打印制品的结构强度，以及由若干物理实验与一系列动态机械分析（DMA）组成的 workflow 以表征材料。我们将此 workflow 应用于以不同打印参数制作的 3D 打印样品，以准确表征材料，并实施序贯有限元分析（FEA）以实现精确模拟。由触发过程引起的变形的准确性通过若干创造性设计实例在计算与实验上均得到验证，且准确性的 95% 置信区间为 (0.972, 0.985)。我们相信所提出的 workflow 对几何、材料机制与设计的结合至关重要，并具有多种潜在应用。
引用
@article{arxiv.1909.02083,
title = {Material characterization and precise finite element analysis of fiber reinforced thermoplastic composites for 4D printing},
author = {Yuxuan Yu and Haolin Liu and Kuanren Qian and Humphrey Yang and Matthew McGehee and Jianzhe Gu and Danli Luo and Lining Yao and Yongjie Jessica Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:1909.02083},
year = {2020}
}
备注
The first two authors contributed equally. 18 figures, 11 pages