通过聚醚嵌段酰胺（PEBA）实现高弹性变形材料和执行器的3D打印

《Extreme Mechanics Letters》：3D printing elastic metamaterials and actuators with high resilience via polyether block amide (PEBA)

本研究系统比较了聚醚嵌段酰胺（PEBA）与传统热塑性聚氨酯（TPU）作为FDM柔性材料在机械性能上的差异，发现PEBA在小应变下具有高弹性恢复和快速响应，而在大应变时表现出低阻尼和显著滞后特性。通过优化加工参数减少孔隙率，PEBA在软机器人、自适应机械结构和机械 metamaterials中展现出更优的动态性能和能效。

　　

苏仁博|杜佳恒|贾晨|甘中雪|张壮

复旦大学智能机器人与先进制造学院人工智能与机器人研究所，上海，200433，中国

摘要

用于熔融沉积建模（FDM）的柔性丝材在软体机器人、柔性机械结构和机械超材料的制造及性能优化中起着关键作用。其中，热塑性聚氨酯（TPU）被广泛使用，但其高阻尼和明显的滞后现象限制了能量效率和动态响应。在本研究中，我们系统地研究了聚醚嵌段酰胺（PEBA）作为替代柔性丝材，并在多种硬度范围内对其机械性能与代表性TPU材料进行了定量比较。我们对FDM打印样品进行了标准化的单轴拉伸测试、循环加载实验以及密度、回弹韧性和压缩永久变形等补充表征，同时尽量减少了样品的孔隙率。为确保机械性能的公平和代表性，我们对PEBA的FDM加工参数进行了系统调整，并提供了实现最低孔隙率的实用指南。结果表明，PEBA的比刚度更高，回弹韧性显著优于TPU；其变形行为表现为小应变时快速弹性恢复，大应变时则呈现类似平台的响应并伴有明显滞后。为了展示这些材料级别的差异如何转化为实际功能，我们进一步使用PEBA和TPU制备了双稳态机构、真空驱动的软驱动器和负泊松比机械超材料。在所有情况下，基于PEBA的结构在相同加载条件下表现出更快的响应和恢复速度。这些发现阐明了PEBA与TPU之间的机械权衡，并为FDM打印的软体机器人和具有优异性能的弹性超材料的材料选择和结构设计提供了实用指导。

引言

随着桌面3D打印机的快速发展以及对柔性机械结构、软体机器人和机械超材料需求的增加，使用柔性材料的熔融沉积建模（FDM）变得越来越流行[1]、[2]。这些柔性打印结构的机械性能与其所使用丝材的固有属性密切相关[3]、[4]。传统上，热塑性聚氨酯（TPU）因其高弹性、低杨氏模量、高拉伸强度、断裂伸长率和耐磨性[12]、[13]而成为首选材料[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，TPU在变形过程中不可避免地表现出明显的滞后现象和高阻尼系数[3]、[12]，导致重复驱动或循环加载时的能量损耗较大，从而降低了效率。最近，聚醚嵌段酰胺（PEBA）作为一种有前景的替代柔性丝材出现，它结合了良好的可打印性和独特的机械特性。越来越多的研究强调了其在耐磨性[14]、阻尼行为[15]、热响应各向同性[16]、循环稳定性[17]、[18]和传感性能[19]方面的优势。尽管具有这些优点，但与传统的柔性FDM材料（如TPU）的系统和定量机械比较仍然有限，这阻碍了软体功能设计的材料选择和结构优化。

本研究对用于FDM制造的PEBA丝材进行了系统的实验研究，旨在阐明其机械特性和应用潜力，并与传统的TPU材料进行对比。首先，我们建立了一套可重复的FDM加工流程，通过系统调节挤出流量来最小化沉积引起的孔隙率，从而可靠地制备低孔隙率样品。基于标准化的机械测试，我们定量表征了PEBA和TPU丝材的弹性及循环性能，并确定了支持后续设计、建模和数值分析的代表性本构模型参数。随后，我们在多个机械指标（尤其是硬度、密度和回弹韧性）上对PEBA和TPU进行了全面比较。最后，通过一系列代表性示例（包括柔性机构、软驱动器和机械超材料）展示了这些材料级别差异的实际影响，进一步突出了PEBA在动态和节能软结构中的独特优势。

材料与样品制备

为了将PEBA与广泛使用的传统柔性材料进行比较，我们测试了一系列市售的PEBA和TPU丝材，这些丝材的肖氏硬度范围从80A到95A。所有丝材在制造前均按照制造商的建议使用图1(a)所示的烤箱进行了干燥处理。表1总结了每种丝材的名称、预处理和加工参数以及供应商信息。

所有测试均在相同的环境条件下进行。

单轴拉伸测试

图3(a)展示了每种材料在x方向上的典型$s$$e$曲线（所有测试曲线的详细信息见补充材料中的图S1），以便更直观地比较不同材料之间的性能。所有测试的丝材均表现出明显的超弹性，其特征是在小应变下呈现非线性响应，随后在大应变下发生硬化。每种材料的典型x方向曲线被用于拟合超弹性本构模型。

PEBA与TPU的对比

从实验结果来看，PEBA表现出与TPU不同的“矛盾”机械行为：在小应变、高变形速率下，PEBA具有高刚度和优异的回弹韧性；而在大应变、低变形速率下，则表现出平坦的塑性平台状响应并伴有明显滞后。滞后和韧性的共存可能使其成为某些应用的理想工程材料[30]、[31]。

（注：此处“Beyond the vacuum”部分内容似乎不完整或重复，可根据实际需要调整或删除。）

结论

本研究对用于FDM制造的柔性丝材进行了系统的实验研究，重点比较了PEBA和传统TPU材料在多种机械性能和应用相关行为上的差异。通过标准化的单轴拉伸测试、循环加载实验以及包括密度、回弹韧性和压缩永久变形在内的补充表征，我们揭示了基于PEBA和TPU的材料之间的本质机械差异。

CRediT作者贡献声明

苏仁博：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化构建。杜佳恒：初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化构建。贾晨：审稿与编辑、验证工作、实验协助。甘中雪：审稿与编辑、项目监督、资金管理

资金来源

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：52575011）和上海市科技重大专项（项目编号：2021SHZDZX0103）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢赵银玲、李玉翔、谢荣浩和张博宇在实验过程中提供的支持。