3D打印柔性可拉伸离散功能梯度衬底的界面结构设计

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.09.011

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (9): 68-74.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.09.011

3D打印柔性可拉伸离散功能梯度衬底的界面结构设计

韩雨生, 杨建军(), 郑莹, 王雅骁

青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520

收稿日期:2024-09-25 出版日期:2025-09-26 发布日期:2025-09-22
通讯作者: 杨建军（1977—），男，教授，从事3D打印、微纳增材制造、柔性电子方面研究，yjjdem@163.com
E-mail:yjjdem@163.com
基金资助:
山东省自然科学基金项目(ZR2021ME139)

Interface structure design of 3D printing flexible stretchable discrete functional gradient substrate

HAN Yusheng, YANG Jianjun(), ZHENG Ying, WANG Yaxiao

School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266520，China

Received:2024-09-25 Online:2025-09-26 Published:2025-09-22
Contact: YANG Jianjun E-mail:yjjdem@163.com

摘要/Abstract

摘要：

为了解决离散功能梯度衬底梯度层间易分离、拉伸性能差的问题，提出了一种基于界面结构设计的离散功能梯度衬底结构。以聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材料为例，采用挤出式3D打印方法制备功能梯度柔性衬底，探究了6种不同界面结构功能梯度衬底的拉伸性能，得到了抑制界面分离的最佳结构为岛形结构；并将拉伸率作为实验指标，对影响拉伸率的岛形结构参数进行正交实验，最终确定了单位长度内岛数为4、岛桥长度比1、岛桥宽度比1.75、边距与总宽比0.07的岛形结构为最优参数，并制作了相应的功能梯度衬底。结果表明，岛形结构能较好地抑制功能梯度衬底的层间分离，拉伸率提高了1.82倍。

关键词: 离散功能梯度柔性衬底, 拉伸性能, 界面结构设计

Abstract:

To address the challenges of interfacial separation and poor tensile properties in discrete functional gradient substrates， this study proposed a novel substrate structure based on interface design. Using PDMS⁃based materials as an example， functional gradient flexible substrates were fabricated via extrusion⁃based 3D printing. Six distinct interface structures were evaluated for their tensile properties， with the island structure demonstrating the most effective suppression of interfacial delamination. Orthogonal experiments were conducted to optimize the island structure parameters， using tensile ratio as the key performance metric. The optimal configuration was determined as follows： 4 islands per unit length， an island⁃to⁃bridge length ratio of 1， a width ratio of 1.75， and an edge margin ratio of 0.07. The results indicated that the island structure significantly enhanced interfacial cohesion， improving the tensile ratio by 1.82 times compared to conventional designs.

Key words: discrete functional gradient flexible substrate, tensile property, interface structure design

中图分类号:

TQ320.66

韩雨生, 杨建军, 郑莹, 王雅骁. 3D打印柔性可拉伸离散功能梯度衬底的界面结构设计[J]. 中国塑料, 2025, 39(9): 68-74.

HAN Yusheng, YANG Jianjun, ZHENG Ying, WANG Yaxiao. Interface structure design of 3D printing flexible stretchable discrete functional gradient substrate[J]. China Plastics, 2025, 39(9): 68-74.

图/表 15

图1 挤出式双喷头3D打印机

Fig.1 Extruded two⁃nozzle 3D printer

图2 离散功能梯度衬底打印工艺流程

Fig.2 Discrete function gradient substrate printing process flow

图3 衬底基本结构

Fig.3 Substrate basic structure

图4 多种界面结构

Fig.4 Multiple interface structures

图5 6种界面形状的拉伸应力

Fig.5 Tensile stress diagram of six interface shapes

图6 VCCT裂纹拓展应变

Fig.6 VCCT crack growth strain

图7 6种界面形状的拉伸试验

Fig.7 Tensile test of six interface shapes

图8 6种界面的应力⁃应变曲线

Fig.8 Stress⁃strain curves at six interfaces

图9 界面结构参数

Fig.9 Interface structure parameter

图10 单因素水平实验结果

Fig.10 Single factor horizontal experiment results

水平	n	a/b	e/f	c/W
1	2	0.5	1.25	0.05
2	3	1	1.75	0.07
3	4	1.5	2.5	0.09
4	5	2	3	0.11

表1 各因素水平取值

Tab.1 The value of each factor level

实验序号	n	a/b	e/f	c/W	拉伸率/%
1	2	1.5	1.25	0.07	76.33
2	2	2.0	2.50	0.09	71.38
3	2	0.5	3.00	0.05	67.88
4	2	1.0	1.75	0.11	80.61
5	3	1.5	3.00	0.11	90.17
6	3	1.0	2.50	0.07	105.42
7	3	0.5	1.25	0.09	90.41
8	3	2.0	1.75	0.05	89.80
9	4	0.5	2.50	0.11	112.28
10	4	1.5	1.75	0.09	122.69
11	4	2.0	3.00	0.07	110.82
12	4	1.0	1.25	0.05	98.68
13	5	0.5	1.75	0.07	129.30
14	5	1.0	3.00	0.09	106.70
15	5	1.5	2.50	0.05	101.67
16	5	2.0	1.25	0.11	93.53

表2 4因素4水平正交实验设计

Tab.2 Orthogonal experimental design of 4⁃factor 4⁃levle

指标	因素
指标	n	a/b	e/f	c/W
$K 1$	296.23	399.89	358.98	358.06
$K 2$	375.82	391.44	422.43	421.90
$K 3$	444.50	390.89	390.78	391.21
$K 4$	431.22	365.56	375.59	376.61
$K 1 ¯$	74.06	99.97	89.74	89.51
$K 2 ¯$	93.95	97.86	105.61	105.47
$K 3 ¯$	111.13	97.72	97.69	97.80
$K 4 ¯$	107.81	91.39	93.90	94.15
R	37.07	8.58	15.86	15.96

指标	因素
指标	n	a/b	e/f	c/W
$K 1$	296.23	399.89	358.98	358.06
$K 2$	375.82	391.44	422.43	421.90
$K 3$	444.50	390.89	390.78	391.21
$K 4$	431.22	365.56	375.59	376.61
$K 1 ¯$	74.06	99.97	89.74	89.51
$K 2 ¯$	93.95	97.86	105.61	105.47
$K 3 ¯$	111.13	97.72	97.69	97.80
$K 4 ¯$	107.81	91.39	93.90	94.15
R	37.07	8.58	15.86	15.96

表3 实验结果的极差分析

Tab.3 Range analysis of test results

表3 实验结果的极差分析

Tab.3 Range analysis of test results

图11 各因素对拉伸率的影响

Fig.11 The influence of various factors on the tensile ratio

图12 直线形和岛形界面梯度衬底的最大拉伸率

Fig.12 Maximum tensile ratio of linear and island⁃shaped interfacial gradient substrates

参考文献 17

[1]	Nejad M Z， Alamzadeh N， Hadi A. Thermoelastoplastic analysis of FGM rotating thick cylindrical pressure vessels in linear clastic⁃fully plastic condition［J］. Composites Part B Engineering， 2018， 154：410⁃422.
[2]	Kieback B， Neubrand A， Riedel H. Processing techniques for functionally graded materials［J］. Materials Science & Engineering A， 2003， 362（1/2）：81⁃106.
[3]	康泽天，周博，薛世峰. 功能梯度形状记忆合金复合梁的力学行为［J］.复合材料学报， 2019， 36（08）：1 901⁃1 910.
	KANG Z T， ZHOU B， XUE S F， Mechanical behaviors of functionally graded shape memory alloy composite beam［J］.Acta Materiae Compositae Sinica， 2019， 36（08）：1 901⁃1 910.
[4]	Wehner M， Truby R L， Fitzgerald D J， et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft， autonomous robots［J］. Nature， 2016， 536（7617）：451⁃455.
[5]	Lim H R， Kim H S， Qazi R， et al. Advanced soft materials， sensor integrations， and applications of wearable flexible hybrid electronics in healthcare， energy， and environment［J］. Advanced Materials， 2020， 32（15）：1901924.
[6]	Rugsaj R， Suvanjumrat C. Study of mechanical properties of 3D printed material for non⁃pneumatic tire spoke［J］. Key Engineering Materials， 2021， 880：97⁃102.
[7]	Radhika N， Sam M. Tribological and wear performance of centrifuge cast functional graded copper⁃based composite at dry sliding conditions［J］.Journal of Central South University， 2019， 26（11）：2 961⁃2 973.
[8]	Silva M， Pinho L S， Covas J A， et al. 3D printing of graphene⁃based polymeric nanocomposites for biomedical applications［J］. Functional Composite Materials，2021， 2（1）：8⁃29.
[9]	Xia M G， Liang C P， Hu R X， et al. Optimization of flexible substrate by gradient elastic modulus design for performance improvement of flexible electronic devices［J］. Applied Physics Express， 2018， 11（5）：051601.
[10]	Liu H， Li M， Liu S， et al. Spatially modulated stiffness on hydrogels for soft and stretchable integrated electronics［J］. Materials Horizons， 2020， 7（1）：203⁃213.
[11]	Zhou L Y， Fu J Z， Gao Q， et al. All⁃printed flexible and stretchable electronics with pressing or freezing activatable liquid⁃metal⁃silicone inks［J］. Advanced Functional Materials， 2020， 30（3）：1906683.
[12]	Garland A， Fadel G. Design and manufacturing functionally gradient material objects with an off the shelf three⁃dimensional printer： challenges and solutions［J］. Journal of Mechanical Design， 2015， 137（11）：111407.
[13]	Naserifar N， LeDuc P R， Fedder G K， Material gradients in stretchable substrates toward integrated electronic functionality［J］. Advanced Materials， 2016， 28（18）：3 584⁃3 591.
[14]	Bartlett N W， Toller M T， Overvelde J T B， et al. A 3D⁃printed， functionally graded soft robot powered by combustion［J］. Science， 2015， 349（6244）：161⁃165.
[15]	Yang J C， Lee S， Ma B S， et al. Geometrically engineered rigid island array for stretchable electronics capable of withstanding various deformation modes［J］. Science Advances， 2022， 8（22）：3 863.
[16]	宋银宝，杨建军，李传敏. PDMS/SiC功能梯度复合材料性能与制造精度研究［J］. 中国塑料， 2022， 36（7）：30‐36.
	SONG Y B， YANG J J， LI C M. Research on properties and manufacturing accuracy of PDMS/SiC functional gradient composites ［J］. China Plastics， 2022， 36（7）：30‐36.
[17]	王洛唯，杨建军，朱嘉乐. 基于顶部加热与分步制造的PDMS/SiC功能梯度材料3D打印成形规律研究［J］. 中国塑料， 2023， 37（11）：74⁃80.
	WANG L W， YANG J J， ZHU J L. 3D printing formation law of PDMS/SiC functionally graded materials based on top heating and step⁃by⁃step forming［J］. China Plastics， 2023， 37（11）：74⁃80.

3D打印柔性可拉伸离散功能梯度衬底的界面结构设计

Interface structure design of 3D printing flexible stretchable discrete functional gradient substrate

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 17

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	洪学银, 高尚. 基于机器学习方法预测3D打印零件的性能[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 72-79.
[2]	张青松, 李良勇, 曹炜强, 程艳雯, 彭天祥, 王俊潼, 李后杨. 碱处理椰壳纤维织物对环氧树脂基材料拉伸性能影响研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 26-31.
[3]	林煦航, 钱善华, 张炜, 卞达, 倪自丰. 表面修饰三氧化钨填充聚四氟乙烯复合材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 6-12.
[4]	宋泽明, 万建成, 郝玉靖, 王帆, 周威, 彭飞. 连续碳纤维增强聚酰胺6复合材料拉板的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(11): 81-86.
[5]	李桂丽谢丹夏学莲孙李龙. 纤维素纳米纤维对聚乳酸结晶、流变和拉伸性能的影响[J]. , 2023, 37(4): 17-22.
[6]	曹炜强李良勇张青松王俊潼李后杨. 椰壳纤维增强环氧树脂复合格栅的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(3): 13-18.
[7]	刘庆坤, 丛川波, 孟晓宇, 周琼. 反应型大分子抗氧剂的合成及其在EPDM中的抗氧化性能[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 99-105.
[8]	张庭, 金清平, 宋仕娥, 曹南南, 邓思远. 不同腐蚀环境下FRP筋耐久性与寿命预测研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 75-81.
[9]	李桂丽, 余秋然, 郝明亮, 李海梅. 苎麻纤维表面改性对聚乳酸结晶及拉伸性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 51-58.
[10]	杨晓宇任欢欢黄玉龙焦彩珍张继. 聚乙二醇改性聚乳酸/乙酰柠檬酸三丁酯复合薄膜的结构及性能[J]. 中国塑料, 2018, 32(07): 126-131.
[11]	吴静胡伟东焦运红谢吉星梁旦辉. 氧化羟基锡酸铁包覆黏土的制备及其应用于聚氯乙烯的研究[J]. 中国塑料, 2017, 31(12): 107-112.
[12]	郭峰霞谢鹏程丁玉梅杨卫民. 浇口尺寸对注塑制品性能的影响[J]. 中国塑料, 2013, 27(12): 73-78 .
[13]	黄安荣朱永军秦舒浩韦良强罗筑. 原位微纤增强复合材料的结构与性能[J]. 中国塑料, 2013, 27(09): 37-40 .
[14]	周晓谦任晶鑫李庆雨窦睿. 改性条件对阻燃型硬质聚氨酯泡沫塑料性能的影响[J]. 中国塑料, 2012, 26(03): 71-74 .
[15]	焦剑刘攀博邹亮. 介孔SiO₂的有机化修饰及其对环氧树脂拉伸性能的影响[J]. 中国塑料, 2010, 24(01): 11-16 .