供稿人：鄭子琪、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-04-20
功能梯度材料（FGM）的成分或結(jié)構(gòu)以連續(xù)或逐步的方式逐漸變化，從而引起了材料特性的相應(yīng)變化，使其具有剛度梯度。近期，德國斯圖加特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用材料工程和數(shù)字處理相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了基于擠出的多材料增材制造，從而制造出具有連續(xù)、高對(duì)比度和多方向剛度梯度的纖維素基可調(diào)粘彈性材料。建立了一種構(gòu)造組分相似但力學(xué)性能和流變性能不同的纖維素基材料的方法。同時(shí)，提出了一種將梯度信息嵌入設(shè)計(jì)模型的數(shù)字化工作流程，見圖1，實(shí)現(xiàn)了一體化的打印路徑規(guī)劃。
圖1 打印連續(xù)梯度的制造過程示意圖
這種從設(shè)計(jì)到制造的工作流程允許用戶將幾何模型與梯度數(shù)據(jù)結(jié)合起來以創(chuàng)建FGM數(shù)據(jù)并生成制造代碼。在啟發(fā)式軟件環(huán)境中實(shí)施工作流會(huì)在設(shè)計(jì)和制造之間創(chuàng)建無縫的數(shù)據(jù)流，從而允許在設(shè)計(jì)過程中有效地利用制造參數(shù)以創(chuàng)建各種漸變屬性，具體而言有（i）沉積順序，（ii）沉積速率，（iii）沉積率等打印參數(shù)，這些打印參數(shù)通過（i）疊加層，（ii）變化的材料量，（iii）不同的材料成分來調(diào)控。
研究人員展示了如何使用剛度梯度來引導(dǎo)對(duì)象的變形。通過探索不同纖維素混合物的楊氏模量范圍，可以打印出橫截面積相同，變形特性不同的產(chǎn)品，如圖2通過加強(qiáng)筋的變化改變折疊部分的剛度，呈現(xiàn)出了相同的變形特性。
圖2 由于圖案化的剛度變化而導(dǎo)致的可編程變形
這種物理和數(shù)字工具相結(jié)合的方法，能夠以多種方式實(shí)現(xiàn)相同的剛度梯度，解決了之前研究中設(shè)計(jì)受到材料和幾何結(jié)構(gòu)剛性耦合限制的問題。但是該工作目前仍受到材料種類、擠出粘度、打印注射泵壓力等的限制，仍需要進(jìn)一步的研究。