摘要：3D打印，又称作增材制造，是快速成型技术的一种。3D打印技术将信息技术与工业制造相结合，以柔性化的生产方式来满足不断增强的个性化需求，实现了制造技术的革命性突破，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。其方便快捷、能够提高材料利用率等优势不断显现，与传统制造的结合也更加紧密，不断推动传统制造业的转型升级。材料是3D打印的物质基础，也是当前制约3D打印发展的瓶颈。基于此，本文就从3D打印柔性材料特性及有限元分析方法展开分析。
关键词：3D打印柔性材料；有限元分析；方法
1、3D技术的概述
3D打印技术最早起源于19纪末的美国，于20世纪80年代得到实现与发展。随着智能制造的进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用于制造领域。与传统的去除材料加工技术不同，3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，又称为快速成型技术或增材制造技术。3D打印技术可以在很大程度上提高制作效率和精密程度，可使用的材料种类非常丰富，以生物细胞为材料可打印出器官、骨骼；以沙子为材料可打印建筑；以玻璃为材料可打印玻璃制品；以金属为材料可打印机械零件等。目前，3D打印技术主要应用于产品模型、模具制造、文化创意、航空航天、生物医疗、艺术创作以及个性化定制等领域，为创新开拓了广阔的空间。
2、柔性材料的有限元分析方法
本研究将试件模型导入Abaqus有限元分析软件，设置其具有几何非线性。将试件一端夹持端固定，另一端夹持端设置沿轴向的拉伸力。具有几何非线性的柔性材料选择计算较精确的二次六面体单元，网格类型选择C3D20。
除了上述主要设置步骤，还需设置材料属性。相同材料、不同打印条件下得到的试件力学特性不同，因此，不同打印条件的试件在仿真过程中材料属性设置也不同，即将不同打印条件的试件视为是不同材料的试件，仿真时利用不同试件在各自拉伸实验中得到的应力应变数据设置其材料属性。该柔性材料试件经测量其应力应变曲线具有非线性，以应力应变数据为基础，对非线性的材料进行属性设置时，可采用下面几种方式：
①弹性体。将材料的应力应变近似为线性变化，即将其近似设置为弹性体，取应力应变曲线的弹性阶段的杨氏模量及泊松比进行计算；
②超弹性体。超弹性体材料的应力应变曲线是非线性的，即直接输入试件实验得到的名义应力和名义应变，并需要设置超弹性体的本构模型，超弹性体的本构模型主要有多项式、Arruda-Boyce、Marlow、Moo-ney-Ｒivlin、NeoHooke等，根据应力应变实验数据利用软件中的评估功能进行材料模型的选择，评估结果显示可设置2阶多项式作为超弹性体仿真的本构模型；
③弹塑性体。将材料近似设置为小于某一应力值时为弹性体，超过该应力后材料出现塑性特征，材料的实际应变为弹性应变加上塑性应变，材料弹性的杨氏模量和泊松比取弹性阶段来近似计算，材料的塑性设置需要输入材料的真实应力和塑性应变，经由单轴拉伸试验测出的为材料的名义应变和名义应力。
首先根据下式将试验数据中的名义应力σnom和名义应变εnom转换为材料的真实应力σtrue和真实应变εtrue：
真实应变εtrue由弹性应变εtan和塑性应变εs组成，由下式可以得到试件的塑性应变εs：
。
本研究利用上述3种方法对不同打印条件的试件进行沿轴向拉伸的仿真分析，将试件单轴拉伸的实验数据与不同仿真方法得到的仿真结果进行对比，4种打印条件下试件的实验结果与仿真结果的拉力F－伸长量L曲线对比图如图1a所示。
如图1a所示，当拉力小于150N，伸长量随拉力近似呈线性变化，当拉力大于150N，试件的L随F的增大呈非线性的变化趋势，且L的增长率逐渐增大。
将不同打印方式的试件近似成弹性体时，在实测的拉力-伸长量曲线的近似线性段内，弹性体材料属性试件的仿真结果与实际结果还比较一致，但在非线性段内两种结果的偏差很大。将试件属性设置为弹塑性体和超弹性体时，仿真结果曲线是非线性的，且仿真结果曲线与实际数据曲线重合度较高。其中，最接近实际结果的仿真曲线为超弹性体仿真结果曲线，最大偏差小于5%。
为了验证上述方法应用到复杂结构时的准确性，本研究依据上述3D打印柔性材料的有限元分析方法，对3D打印柔性驱动器进行仿真，并对比仿真结果和实际实验的结果。
该3D打印柔性驱动器材料柔软，结构易变形，可用于组成柔性机械臂、机械手等结构。
本研究对3D打印柔性驱动器进行有限元仿真，借助上述Abaqus分析方法进行仿真设置，将驱动器一端固定，另一端分别施加沿轴向的5N～65N的拉力F。得到各拉力下驱动器沿轴向的伸长量，当拉力为65N时，驱动器的空间位移云图和应力云图如图1b所示。
图1
本研究借助FMA工艺制造柔性PLA材料的柔性驱动器，并对其进行拉伸实验。将实验结果和仿真结果进行对比，对比结果如图1c所示。
当拉力F小于40N，拉力F-伸长量L曲线可以近似看作是线性的，且仿真结果和实验数据吻合较好，线性段内的最大误差小于5%。当拉力F大于40N，伸长量L随拉力F的增长非线性变化，随着拉力F的增大，伸长量L的变化率逐渐减小，且在相同拉力F下，实验时驱动器的伸长量L相对较大。
结束语
本文利用Abaqus进行不同3D打印条件的试件的有限元分析，仿真方法的区别在于材料属性设置不同，即将不同打印条件下的试件视作由不同材料制得，3D打印的柔性材料具有材料非线性，将非线性材料的3种设置方法的仿真结果对比实验数据，结果表明3D打印的柔性材料设置为超弹性体时仿真效果好，结果最接近实际值；应用上述方法对3D打印柔性驱动器进行分析，得到的仿真结果与实验结果吻合较好，其误差主要来源于打印缺陷。
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论文作者:张俊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/10
标签：材料论文; 应变论文; 应力论文; 柔性论文; 弹性体论文; 拉力论文; 塑性论文; 《基层建设》2018年第20期论文;