供稿人：鄭子琪、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-04-20
功能梯度材料（FGM）的成分或結(jié)構以連續(xù)或逐步的方式逐漸變化，從而引起了材料特性的相應變化，使其具有剛度梯度。近期，德國斯圖加特大學研究團隊利用材料工程和數(shù)字處理相結(jié)合的方法，實現(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。建立了一種構造組分相似但力學性能和流變性能不同的纖維素基材料的方法。同時，提出了一種將梯度信息嵌入設計模型的數(shù)字化工作流程，見圖1，實現(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
這種從設計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)境中實施工作流會在設計和制造之間創(chuàng)建無縫的數(shù)據(jù)流，從而允許在設計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對象的變形。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，能夠以多種方式實現(xiàn)相同的剛度梯度，解決了之前研究中設計受到材料和幾何結(jié)構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，仍需要進一步的研究。