2021年12月杂志俱乐部:剪切下的仿生3D打印缝合线

剪切下的仿生3D打印缝合线

理查德·纳什和李亚宁*

东北大学机械与工业工程系硕士

*y.li@northeastern.edu

根据以下文章修改：Richard J. Nash，李亚宁，剪切载荷下3D打印缝合接头的实验与数值分析，工程断裂力学(2021),卷。253，107912

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107912

1.介绍

在许多工程领域，如生物医学工程、航空航天和汽车工程，对更轻、更强的复合材料的需求正在增加。在设计轻量化复合材料时，界面性能往往是决定复合材料整体刚度、强度和韧性的关键[1-7]。例如，对于生物医学植入物，不同的关节/界面在提供高变形性和高耐磨性方面具有独特的优势。然而，工程异型节点可靠性的一个关键问题是异种材料之间缺乏界面结合，限制了材料的力学性能(1 - 4、8)。

仿生策略可应用于工程人工异种关节[26-35]。然而，通过传统的制造技术制造具有复杂几何形状的仿生异型关节是具有挑战性的[36,37]。增材制造是一种很有前途的新技术，可以应对这一挑战。增材制造(AM)提供了一种快速、准确和可重复的方法来制造仿生设计。为了制造不同类型的接头，需要采用多材料增材制造技术。在多材料增材制造中，改善界面粘合仍然是一个挑战。目前，人们还不太清楚印刷速度和方向等加工参数如何影响印刷产品的质量。

2.机械试验

2.1制造及单搭剪试验

使用Stratasys Objet260 Connex3多材料3D打印机通过增材制造(AM)制造样品。界面层中的0相(图1a)材料被打印为TangoBlack，一种更柔软的橡胶状材料;而第一阶段则被打印为VeroWhite，一种更硬的塑料材料。试样的方向一开始任意选择，此后一直保持一致，打印方向如图1a所示。

图1所示。(a)三个试样在3D打印机托盘上的排列及打印方向;(b)试样的实验装置的代表性图像θ= 120°;(c)三个标本的缝合带θ= 0,1200和180。

每个样品都安装在Zwick材料试验机上。采用准静态加载速率为0.025 mm/min的单轴拉伸位移。实验设置如图2b所示其中，样品的底部固定在固定夹具中，而样品的顶部固定在安装在10 KN称重传感器上的位移控制夹具中。为了可重复性，对于每个设计，三个相同的样品被打印和测试。总共进行了9次实验。

2.2失败的机制

为了进一步探讨剪切载荷作用下3D打印平面和波浪状界面层的破坏机制，在扫描电镜(SEM, Tescan Lyra3 GMU联合FE-SEM/FIB场发射显微镜)下观察了未损伤和损伤试样的表面。力学实验结束后，将损坏的试样小心地从材料试验机中取出，保存在封闭的盒子中，然后进行SEM测试。为了与损伤后的试样进行对比，打印未损伤的新试样进行类似的SEM试验。界面层周围区域未损伤和损伤试样表面的SEM图像分别如图2a和2b所示。

图2a所示的SEM图像上的水平凹槽是由逐层增材制造工艺诱导的，指示图1a所示的打印方向。如图2a所示，对于未损伤的试样，可以识别出0阶段和1阶段的边界。

损伤试样以粘结破坏为主，但沿界面层同时存在粘结破坏和内聚破坏。如图2c所示，粘结破坏发生在相邻的两相脱落时，而粘结破坏发生在界面层内的材料失效时。三种设计的断裂面照片如图2d所示。每个图像上较亮的斑点表明VeroWhite材料和TangoBlack材料之间的粘合剂失效。

图2所示。(a)力学实验前三种试样的SEM图像;(b)力学实验后三种试样的SEM图像;(c)剪切荷载作用下平面和波浪状界面层的粘结和内聚联合破坏机制示意图。(d)三种设计的制造表面照片，显示粘合剂的破坏模式。

2.3打印方向的影响

由于采用逐层增材制造工艺，预计打印方向将影响界面层的力学性能和行为，从而影响试件的整体剪切刚度和强度。

T共打印四种试件，如图3b所示:分别打印方向为H和V的单轴拉伸试件;打印方向分别为H和V的单搭剪试件。为了可重复性，每种类型打印三到五个相同的标本，本研究共打印了15个标本。

两种不同打印方向下单轴拉伸试样的SEM图像如图3c和3d所示。图3a为H打印方向制作的单轴拉伸试样的SEM图像，如图3b所示，图3b为V打印方向制作的相同设计的SEM图像，如图3b所示。图3a和3b清楚地显示了沿两种不同打印方向制作的样品的微观尺度表面纹理的不同。

图3所示。(a)为确定材料性能而设计的拉伸试件SOLIDWORKS模型(自由边缘的喙部遵循Liu和Li[27]的设计);(b)确定每个打印方向的材料特性及其在构建板上的方向所需的四种样品;(c)打印方向为H的未损伤单轴拉伸试样的SEM图像;(d) V打印方向。

3.有限元模拟

3.1有限元模型

试样的二维几何形状θ=0°，120°和180°是在ABAQUS/CAE (Version 6.14)中创建的。为了模拟打印方向的影响，将界面层分为H区和V区，如图4a和4b所示。如图4a所示，这是因为在整体剪切载荷作用下，在峰谷附近，界面层主要承受垂直于层状槽的法向应力和平行于层状槽的剪切应力，因此其表现与图4b中H打印方向的界面层相似;峰谷区界面层近似处于平行于层状沟槽的法向应力和垂直于层状沟槽的剪切应力下，其作用类似于图4b中V型印刷方向的界面层。如图4b所示，两种波浪形试样沿界面层的H区和V区各占全波长的四分之一。这一假设受到测试时间和材料的限制，而且ABAQUS目前的工具还不允许沿着缝合线以不同角度连续改变材料特性。不同的机械性能将在H区和V区定义。力学性能将根据实验结果确定。

图4所示。(一)描述H区和V区力学功能的化学图，以及(b)划分界面层(通过取θ=180°的情况为例)，显示H区和V区。

3.2有限元模拟结果

将仿真得到的载荷-位移曲线与实验数据进行对比，如图5a所示。对于每次模拟，界面层内三个不同时刻的von Mises应力轮廓如图5b所示。在图5a的荷载-位移曲线上标注了1、2、3三个瞬间。瞬间2在峰值负荷时取;瞬间1在峰值前75%的峰值负荷下拍摄;瞬间3是在峰值后75%的峰值负荷下拍摄的。

图5所示。试验载荷-位移结果与仿真结果的对比(曲线上点1、点2、点3分别代表峰值前75%峰值、峰值时75%峰值和峰值后75%峰值的瞬间);和(b)在瞬间1、2和3的界面层中的von Mises应力等值线。

可以看出，对于的情况θ=0°时，仿真结果与实验结果吻合较好。由于层是平面的，层中的材料主要处于简单的剪切应力状态，可以准确地捕捉层在这种简单应力状态下的力学行为。对于波浪状情况，层内材料处于复杂的I/II型混合载荷下。在损伤发生前，模拟结果与试验结果吻合较好。但当损伤发生时，模拟结果与实验结果存在差异。

4.结论与讨论

首先，实验和仿真结果表明，通过增加缝合层的波纹度，可以显著提高接缝的有效剪切刚度。在本文的具体设计中，波浪形缝线的有效剪切刚度是扁平缝线的10-20倍以上。然而，为了显著提高节理的整体抗剪强度，波纹度需要足够大。例如，对于的情况θ=120°时，有效抗剪强度与平面层基本相同，而当θ增大到180°时，有效抗剪强度提高约40%。

实验结果表明，打印方向对采用逐层材料喷射增材制造技术制备的3D打印界面层的剪切强度和拉伸强度有不可忽略的影响。而有效剪切刚度和拉伸刚度受印刷方向的影响较小。通常，在打印异种界面时，如果层向与界面平行(即本文中的H方向)，则可以获得更高的剪切和拉伸结合强度。而当层向垂直于界面方向时，剪切和拉伸结合强度会降低。其中，对于单搭剪试件和拉伸试件，采用H方向打印时，界面层整体有效抗剪强度比采用V方向打印时提高约14.5%;试样的整体有效抗拉强度比V方向印刷试样提高约14.7%。

此外，本研究表明，所采用的方法有望预测剪切或拉伸载荷下以粘结破坏模式为主的不同节点的混合模式损伤的发生和演化。结合面外方向的损伤演化和界面层内的内聚破坏模式可以得到更准确的预测。

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