【摘 要】
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可变刚度材料是一种能感知并识别外部刺激,从而实现自身刚度变换的材料。由可变刚度材料所制作的构件,在温度、电、光等的刺激下,相应的位置发生刚度变化。其在医学、软体机器人、土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用。目前可变刚度功能的主要实现方式大多需要外部做功导致结构复杂庞大,且变化范围小、响应较慢、有较大的机械损耗。低熔点合金（LMPA）由于其低熔点特性,在温度不高于其熔点（30-300°C）时保持较
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可变刚度材料是一种能感知并识别外部刺激,从而实现自身刚度变换的材料。由可变刚度材料所制作的构件,在温度、电、光等的刺激下,相应的位置发生刚度变化。其在医学、软体机器人、土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用。目前可变刚度功能的主要实现方式大多需要外部做功导致结构复杂庞大,且变化范围小、响应较慢、有较大的机械损耗。低熔点合金（LMPA）由于其低熔点特性,在温度不高于其熔点（30-300°C）时保持较强的机械性能,在高于其熔点时,LMPA由固态转变为液态,力学性能发生显著变化。将LMPA的低熔点特性与3D打印优势相结合,通过LMPA与高分子材料复合后打印或同轴挤出的方式,实现LMPA变刚度构件的一体打印成型。本课题通过LMPA的固液相转换实现变刚度的功能。基于熔融沉积制造（FDM）工艺的基本原理,从材料的角度出发,使用单螺杆挤出机制备聚乳酸（PLA）/LMPA的复合线材并用于打印,从微观形貌的观察、力学性能的表征对复合材料的打印制品进行分析。此外,从打印设备的角度出发,提出热塑性材料包裹LMPA的3D同轴打印的制造方法。从设备的搭建、制品的表征、数值模拟三个方面探究了LMPA变刚度构件的3D同轴打印制备技术。主要研究内容如下:（1）提出一种可用于打印的LPMA与高分子材料复合线材的制备方法,探究了复合材料实现温控变刚度的可行性。对打印制品进行了力学性能的表征。并通过对PLA/LMPA制品微观形貌的观察分析了刚性粒子作为填充相改变复合材料力学性能的原因。验证了通过LMPA的固液转换实现变刚度的方法。（2）设计同轴挤出设备的控制系统、加热系统、进料系统等,最终成功搭建热塑性材料与LMPA同轴挤出的3D打印设备。通过对热塑性材料与LMPA的3D同轴打印进行Fluent仿真,探究了两种材料在喷嘴内的受热情况、受力情况、运动情况等,分析了制品成型的最佳打印参数,与实验结果对比分析,为3D同轴打印实验提供理论依据与参考;（3）通过实验探究了常见的3D打印材料与LMPA同轴挤出的最佳成型打印参数,并进一步举例探究了打印参数对尼龙（PA）/LMPA 3D同轴打印质量的影响;（4）对3D同轴打印的可变刚度结构进行应用场景的探究,测试了LMPA的固液转变带来的机械性能、基频等变化,为后续的进一步研究开拓新的方向。
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