3D打印纖維素基水凝膠，制造多方向剛度梯度的多材料零件

2020年6月3日，南極熊從外媒獲悉，由斯圖加特大學、弗吉尼亞大學和伊斯坦布爾Koc大學的研究人員組成的團隊，3D打印出了具有多方向剛度梯度的多材料零件。

研究人員能夠創(chuàng)造出一組具有不同機械和流變特性的纖維素基線材，盡管它們的成分相似，但卻具有不同的機械和流變特性。然后將這些材料相互配合使用，將特定的變形曲線編程成復雜的零件。

連續(xù)漸變打印的制造工藝，圖片由斯圖加特大學提供

功能性梯度材料

功能性分級材料（FGMs）具有逐漸變化的成分或結構----可以是連續(xù)的或階梯式的。這種逐漸變化的結果是 "屬性梯度"，即特定的屬性或特性隨著成分或結構的變化而變化。在自然界中，我們經(jīng)�？梢钥吹紽GM的存在。特定功能細胞或物質類型的濃度和分布會對它所處的位置的功能產(chǎn)生很大的影響。

在科學和工程領域，F(xiàn)GMs在薄膜涂層、生物醫(yī)學應用、建筑學等方面都很有用。一類特殊的FGMs，如本研究所涉及的FGMs，具有不同的剛度梯度。它們通常用于分配界面處的應力，在軟執(zhí)行器中編程變形曲線，并影響細胞遷移率。然而，F(xiàn)GM的制造確實有其挑戰(zhàn)，因為梯度的連續(xù)性和方向性的自由度在今天的技術中很難實現(xiàn)。


3D打印纖維素基FGMs

為了開發(fā)一種具有連續(xù)、多方向剛度梯度的可調(diào)諧粘彈性材料的3D打印新方法，團隊開始工作。由于羥乙基纖維素(HEC)具有環(huán)保性，因此被選為基礎材料。研究人員加入檸檬酸，將水溶液變成固體水凝膠，這樣就可以擠出。他們還發(fā)現(xiàn)，木質素的加入明顯提高了水凝膠的硬度和拉伸強度。木質素和檸檬酸作為添加劑的組合物被用來實現(xiàn)一系列的機械性能，并打印出了一組樣品零件---所有這些零件的性能梯度都不同。

從設計到制造FGM樣品的工作流程，圖片來自斯圖加特大學

然后生成了一個定制的G代碼，專門用于在每個零件中創(chuàng)建精確的剛度曲線。通過精心控制的擠出，團隊將梯度信息嵌入到零件的實際設計中。一旦打印出來，由于零件的幾何形狀的剛度變化，樣品可以在獨特的輪廓上進行變形。最終，研究人員在每個樣品中 "編程 "了一套所需的變形幾何形狀。

由于剛度變化而產(chǎn)生的可編程變形的樣品，圖片來源：斯圖加特大學

該研究的更多細節(jié)可以在題為 "Additive manufacturing of cellulose-based materials with continuous, multidirectional stiffness gradients "的論文中找到。該論文由P. A. G. S. Giachini、S. S. Gupta、W. Wang、D. Wood、M. Yunusa、E. Baharlou、M. Sitti和A. Menges共同撰寫。

10.1126@sciadv.aay0929.pdf (1.13 MB, 下載次數(shù): 415)

2020-6-3 10:54 上傳

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編譯自：3dprintingindustry