3D打印材料也有“三原色”？可以創(chuàng)造特定的材料屬性

2024年1月，南極熊獲悉，來自科羅拉多大學博爾德分校的研究人員開發(fā)了一種確定噴墨增材制造中材料特性的新工藝。   這些研究結(jié)果被研究者 Robert MacCurdy 和 Lawrence Smith 稱為“pantone for properties(屬性潘通)”，概述了多材料噴墨 3D 打印如何通過組合不同的樹脂材料來創(chuàng)造特定的材料屬性。研究內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了期刊《Advanced Materials》上，題目為《Digital Multiphase Composites via Additive Manufacturing》



與通過混合不同原色來創(chuàng)建特定顏色類似，研究者闡述了如何通過混合三種“原色”材料來實現(xiàn)可重復(fù)的 3D 打印材料屬性。這些材料包括軟彈性體、硬塑料和液體成分。   

在研究中，研究人員使用定制軟件設(shè)計了數(shù)百個數(shù)字復(fù)合材料樣品。3D 打印完成后，將樣品的機械性能進行測試和表征。然后創(chuàng)建比較復(fù)合材料成分和機械性能的分析圖，從而實現(xiàn)“逆向材料設(shè)計”。     

這個過程逆轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)的材料選擇過程。通常，工程師會尋找具有所需材料特性的合適材料，然后根據(jù)該材料進行設(shè)計。相反，新方法可以首先為零件指定一組所需的材料屬性，然后進行 3D 打印。   作者表示這項研究首次表征了由三種具有不同機械性能的噴墨材料制成的數(shù)字材料復(fù)合材料。之前的研究只評估了兩種材料的復(fù)合材料，“達不到機械真實感”。   

該過程的潛在應(yīng)用是多種多樣的。研究人員強調(diào)，3D 打印機械上合理的合成生物組織是一種潛在的用例。利用逆向材料設(shè)計方法，用戶可以設(shè)計并3D打印具有精確模仿生物組織所需的任意剛度和韌性組合的材料。


△實驗結(jié)果，顏色表示流體的體積分數(shù)。這些復(fù)合材料占據(jù)與生物材料相似的模量-韌性空間區(qū)域

3D打印材料屬性的“潘通色卡”

多材料噴墨 3D 打印機噴射光聚合物樹脂液滴，然后由 UV 光源固化，形成 3D 物體。 3D 打印機制造商 Stratasys 的Agilus和Vero噴墨3D打印樹脂在固化后具有不同的性能。Agilus 成為堅韌且柔韌的彈性體材料，而 Vero 則形成剛性塑料。這兩種材料可以以不同的比例組合，形成具有不同性能的復(fù)合材料。然而，這些組合的性能可能性是有限的。  

為了實現(xiàn)更大的材料性能自由度，科羅拉多大學的研究人員在復(fù)合材料設(shè)計過程中添加了第三種液體材料。研究期間，對 110 種獨特的復(fù)合材料配方進行了 188 次測試。 通過使用 3D 打印零件進行實驗觀察和驗證，研究人員表明，通過組合 3 種基材，可以獨立決定彈性和韌性等機械性能。   

研究人員使用沖壓測試進行機械測試，團隊記錄了3D打印的樣品壓痕距離和受力，當材料失效時測試終止。   


△測試具有規(guī)定剛度的樣品

該測試結(jié)果強調(diào)，彈性模量和韌性屬性是解耦的，并且可以在 3D 打印過程中獨立指定。更重要的是，該研究得出的結(jié)論是，使用這種方法可以解耦任何兩種材料屬性。這是通過在復(fù)合材料設(shè)計過程中添加第三種液體基材料來實現(xiàn)的。   研究人員還演示了具有規(guī)定屬性的 3D 打印物體的逆向設(shè)計，通過在微觀尺度的復(fù)合材料成分和宏觀材料屬性之間創(chuàng)建映射來實現(xiàn)。   

通過分析模型和數(shù)學方程，研究人員成功地利用這些映射來準確估計各種結(jié)合了彈性體、剛性和液體樹脂的噴墨復(fù)合材料的機械性能。最終，研究人員認為這些發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學應(yīng)用中具有巨大的潛力。

利用目前的方法，研究人員一直在努力獲得反映生物組織的準確材料特性。據(jù)說這項研究的結(jié)果使得材料的剛度和韌性能夠同時且獨立地改變，使得研究人員、設(shè)計師和醫(yī)療從業(yè)者能夠 3D 打印逼真且機械上令人信服的合成生物組織。     


△通過構(gòu)建噴墨復(fù)合材料中多相成分的分布，可以實現(xiàn)四個數(shù)量級的硬度值

噴墨3D打印研究
MacCurdy 和 Lawrence 的研究并不是第一個探索多材料噴墨 3D 打印在醫(yī)療應(yīng)用中的潛力的研究。來自麻省理工學院媒體實驗室、哈佛大學維斯研究所和丹納法伯癌癥研究所的研究人員開發(fā)了一種 3D 打印混合生命材料的方法。 該團隊稱為混合活性材料 (HLM) 制造平臺，使用 多材料噴墨 3D 打印和定制材料配方來結(jié)合樹脂和化學信號。這些信號激活生物工程微生物的反應(yīng)，為具有治療劑的醫(yī)療設(shè)備提供了潛力。

在這項研究中，研究人員將合適的支撐樹脂與結(jié)構(gòu)樹脂材料相結(jié)合，制成 3D 打印部件，這些部件具有吸收性并保留化學信號以控制生物體的行為。HLM 平臺可以利用三到七種具有不同特性的不同樹脂，以一定比例與合成生物材料混合。      

Martin Luther University Halle-Wittenberg( 哈雷-維滕貝格馬丁路德大學)的一個團隊開發(fā)了一種混合增材制造工藝，將擠出和噴墨 3D 打印相結(jié)合。 這種方法使液體墨水能夠直接集成到固體材料基體中。其一個關(guān)鍵應(yīng)用是在初始制造階段將活性醫(yī)療成分集成到3D 打印藥物輸送設(shè)備中。