原位混合加工，拉夫堡大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)新型丙酮驅(qū)動(dòng)4D打印技術(shù)——MaTrEx-AM

導(dǎo)讀：2021年10月13日，南極熊獲悉，拉夫堡大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型混合3D打印技術(shù)。這項(xiàng)新技術(shù)能夠隨著時(shí)間的推移改變打印部件的屬性，從而實(shí)現(xiàn)一種新形式的4D打印。

這項(xiàng)新方法被命名為材料處理擠壓增材制造（MaTrEx-AM），它將傳統(tǒng)的基于擠壓的3D打印與化學(xué)處理相結(jié)合。具體來(lái)講，它是利用有機(jī)化學(xué)品丙酮使3D打印物體中的目標(biāo)層更加耐用。通過(guò)丙酮的分布和層層之間的反應(yīng)程度，可以使3D打印部件具有可修改的機(jī)械性能，幫助用戶控制它們?cè)谪?fù)載下的變形方式。

增材制造高級(jí)講師、該研究的共同作者Andy Gleadall博士說(shuō)："新工藝對(duì)大量的零件和結(jié)構(gòu)都具有潛在的價(jià)值，但最明顯的可能是在操作過(guò)程中會(huì)變形的零件，而它們變形的方式需要控制。機(jī)械性能的時(shí)間依賴性意味著該方法為材料能力增加了一個(gè)新的維度，原位混合加工促進(jìn)了真正的4D打印過(guò)程。"

△拉夫堡大學(xué)校園

丙酮和3D打印

丙酮是一種常見(jiàn)的溶劑，從去除指甲油的產(chǎn)品到汽油和油脂切割器都有使用。在3D打印行業(yè)中，這種化合物被用作表面處理劑，因?yàn)樗�可以溶解ABS等聚合物，使用戶能夠平滑地覆蓋層線，使其不可見(jiàn)。MaTrEx-AM工藝將這一概念向前推進(jìn)了一步，在層與層之間使用丙酮原位反應(yīng)，而不是在打印部件的外部。

但是，丙酮是如何改變這些打印層的機(jī)械性能的？答案就在于傳統(tǒng)的FDM三維打印機(jī)是如何擠出長(zhǎng)絲的。由于FDM系統(tǒng)是將熔化的長(zhǎng)絲從一個(gè)圓形的噴嘴中注入，產(chǎn)生的軌道是圓柱形的。這導(dǎo)致軌道之間的接觸面積相對(duì)較小，導(dǎo)致層間結(jié)合不足，最終導(dǎo)致部件變得脆弱。

Gleadall解釋說(shuō)："這個(gè)過(guò)程是逐層添加材料，層與層之間有凹槽，有點(diǎn)像你把很多木頭側(cè)著堆在一起，全部排成一排。3D打印的部件通常很薄弱，因?yàn)閷拥匿佋O(shè)方式是依次進(jìn)行的，所以層與層之間有幾何缺陷，層與層之間的材料結(jié)合可能不如純聚合物好。"

通過(guò)在這些圓柱形軌道上涂抹丙酮，有可能將它們?nèi)诨�在一起，以達(dá)到更好的融合。這增加了接觸面積和結(jié)合強(qiáng)度，通過(guò)選擇性地應(yīng)用丙酮，產(chǎn)生了可控的機(jī)械性能以及和可編程的變形曲線。

△丙酮撫平ASA制成的3D打印“貓頭鷹”模型。照片來(lái)自Prusa。

頭盔襯墊和生物醫(yī)學(xué)植入物應(yīng)用

Gleadall的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們可以通過(guò)應(yīng)用丙酮將PLA和ABS部件的可塑性提高到25-和16倍，增加了處理區(qū)域的韌性。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些部件的機(jī)械性能最多可恢復(fù)到其原始值的90%，這就是4D的作用所在。ABS的這種恢復(fù)發(fā)生在三個(gè)小時(shí)之內(nèi)，而PLA的試樣則需要60天才能恢復(fù)。重要的是，即使在打印部件恢復(fù)其屬性后，在這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的任何幾何變化都被保留下來(lái)。

根據(jù)拉夫堡團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，MaTrEx-AM在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用包括用于抗沖擊頭盔襯墊的4D晶格結(jié)構(gòu)，以及隨著病人的解剖結(jié)構(gòu)而變形的動(dòng)態(tài)生物醫(yī)學(xué)植入物。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可在題為“MaTrEx AM: A new hybrid additive manufacturing process to selectively control mechanical properties”的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421004954

△MaTrEx-AM及其對(duì)3D打印聚合物部件的影響。圖片來(lái)自拉夫堡大學(xué)。

在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，4D打印已被證明是一個(gè)偉大的工具，如醫(yī)療設(shè)備和軟機(jī)器人的應(yīng)用。來(lái)自弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種新穎的4D打印方法，即根據(jù)病人的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我調(diào)整的可穿戴手腕夾板。受空氣馬鈴薯植物（Dioscoreabulbifera）繁殖機(jī)制的啟發(fā)，該打印系統(tǒng)可以預(yù)先編程，以便在接觸到水分時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)的科學(xué)家們最近4D打印了一個(gè)能夠自行漫游的自我推進(jìn)的軟體機(jī)器人。這個(gè)管狀機(jī)器人是由一種叫做液晶彈性體的材料制成的，當(dāng)接觸到熱量時(shí)，它可以自我組裝。該設(shè)備巧妙地利用了編程的折疊模式，在自己的身體內(nèi)引起應(yīng)變，這使它能夠像木頭一樣翻滾。