AM：投影式光固化打印液晶彈性體耗能結(jié)構(gòu)

來源：EngineeringForLife

投影式光固化3D打印可創(chuàng)建具有特定微觀和宏觀體系的復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)，而這些復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)是目前傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的。近期，來自科羅拉多大學(xué)的Christopher M. Yakacki教授團(tuán)隊及南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系的葛锜教授團(tuán)隊在“Advanced Materials”期刊上發(fā)表了“Liquid-Crystal-Elastomer-Based Dissipative Structures by Digital Light Processing 3D Printing”一文，該研究提出了一種可進(jìn)行投影式光固化打印的液晶彈性體（LCE）樹脂材料，該材料可用于打印各種復(fù)雜且具有高精度的耗能器件。用該材料打印出結(jié)構(gòu)的能量耗散效果為商用光敏樹脂的27倍，其特殊的機(jī)械性能有助于高能量吸收器件的發(fā)展及應(yīng)用。

首先，研究人員開發(fā)了一種新型光固化LCE樹脂，通過使用光固化投影打印的LCE結(jié)構(gòu)（圖1、圖2）具有跨尺度可控的力學(xué)特性，具體表現(xiàn)為：在介觀尺度上，粘彈性通過化學(xué)來調(diào)節(jié)；在微觀尺度上，力學(xué)行為通過晶格結(jié)構(gòu)來控制；在宏觀尺度上，通過調(diào)控打印器件的幾何形狀來實現(xiàn)力學(xué)特性的控制。

圖1 從不同尺度（介觀、微觀及宏觀）上展示打印效果

圖2 光固化投影打印的LCE脊椎支架結(jié)構(gòu)

其次，研究人員使用LCE樹脂打印了具有正交各向異性、各向同性和橫向各向同性對稱性的三種不同的晶格結(jié)構(gòu)（圖4），并通過壓縮試驗對兩種材料打印的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了比較。最終實驗結(jié)果顯示LCE晶格的峰值應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商用樹脂晶格。

圖3 打印結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)力學(xué)測試

最后，研究人員對LEC打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)變能密度及阻尼性能（圖4）測試，結(jié)果顯示其具有很好的緩沖耗能效果。

圖4 不同晶格材料的應(yīng)變能密度及材料的阻尼性能

總的來說，該研究研發(fā)了一種光固化LCE樹脂，并使用投影式光固化打印方法制成耗能結(jié)構(gòu)，最終使其耗能效果遠(yuǎn)優(yōu)于商用光固化樹脂制成的結(jié)構(gòu)。展望未來，由于LCE材料具有優(yōu)越的能量耗散性，可根據(jù)壓縮速率調(diào)整其剛度，從而在更大范圍的沖擊條件下提供保護(hù)，結(jié)合增材制造技術(shù)能夠針對特定應(yīng)用輕松優(yōu)化打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使其在運(yùn)動和個人防護(hù)設(shè)備以及生物醫(yī)療設(shè)備中發(fā)揮巨大的作用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202000797