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Adaptive metamaterials by functionally graded 4D printing

超材料 材料科学 制作 3D打印 有限元法 形状记忆聚合物 顺应机制 运动学 机械工程 变形(气象学) 计算机科学 复合材料 结构工程 形状记忆合金 光电子学 工程类 物理 经典力学 病理 医学 替代医学
作者
Mahdi Bodaghi,A.R. Damanpack,Wei‐Hsin Liao
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier]
卷期号:135: 26-36 被引量:232
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2017.08.069
摘要

This paper shows how fused decomposition modeling (FDM) as a three-dimensional (3D) printing technology can engineer adaptive metamaterials with performance-driven functionality built directly into materials. The tactic is based on an understanding of thermo-mechanics of shape memory polymers (SMP) and fabrication concept behind FDM as well as experiments to explore how FDM can program self-foldable metamaterials. Self-folding mechanism is investigated in terms of fabrication parameters like printing-speed and liquefier-temperature that affect layer-by-layer programming process and shape-change. It can be called a functionally graded 4D printing so that the structure is fabricated additively and programmed functionally. A finite element (FE) formulation based on the non-linear Green-Lagrange kinematic relations coupled with a robust SMP constitutive model is established to describe material tailoring in fabrication stage and deformation. Governing equations with material-geometric non-linearities are solved by implementing iterative Newton-Raphson method to trace large-deformation non-linear equilibrium path. FDM and FE solution are then applied to digitally design and fabricate straight/curved beams as structural primitives for adaptive metamaterials that show 1D/2D-to-2D/3D shape-shifting by self-folding or/and self-coiling. Finally, it is experimentally shown that the 4D printed metamaterials have great potential in mechanical/biomedical applications like structural/dynamical switches, self-conforming substrates, self-tightening surgical sutures, self-conforming splints and self-coiling/deploying stents.
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