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(xué)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?jī)?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(shí)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(jì)了數(shù)百個(gè)數(shù)字復(fù)合材料樣品。3D 打印完成后，將樣品的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試和表征。然后創(chuàng)建比較復(fù)合材料成分和機(jī)械性能的分析圖，從而實(shí)現(xiàn)“逆向材料設(shè)計(jì)”。     

這個(gè)過程逆轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)的材料選擇過程。通常，工程師會(huì)尋找具有所需材料特性的合適材料，然后根據(jù)該材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)行 3D 打印。   作者表示這項(xiàng)研究首次表征了由三種具有不同機(jī)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(píng)估了兩種材料的復(fù)合材料，“達(dá)不到機(jī)械真實(shí)感”。   

該過程的潛在應(yīng)用是多種多樣的。研究人員強(qiáng)調(diào)，3D 打印機(jī)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(jì)方法，用戶可以設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，顏色表示流體的體積分?jǐn)?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(jī)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(jī)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(jiān)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(shí)現(xiàn)更大的材料性能自由度，科羅拉多大學(xué)的研究人員在復(fù)合材料設(shè)計(jì)過程中添加了第三種液體材料。研究期間，對(duì) 110 種獨(dú)特的復(fù)合材料配方進(jìn)行了 188 次測(cè)試。 通過使用 3D 打印零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和驗(yàn)證，研究人員表明，通過組合 3 種基材，可以獨(dú)立決定彈性和韌性等機(jī)械性能。   

研究人員使用沖壓測(cè)試進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，團(tuán)隊(duì)記錄了3D打印的樣品壓痕距離和受力，當(dāng)材料失效時(shí)測(cè)試終止。   


△測(cè)試具有規(guī)定剛度的樣品

該測(cè)試結(jié)果強(qiáng)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(dú)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(jì)過程中添加第三種液體基材料來實(shí)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(jì)，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(shí)現(xiàn)。   

通過分析模型和數(shù)學(xué)方程，研究人員成功地利用這些映射來準(zhǔn)確估計(jì)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(jī)械性能。最終，研究人員認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)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(zhǔn)確材料特性。據(jù)說這項(xiàng)研究的結(jié)果使得材料的剛度和韌性能夠同時(shí)且獨(dú)立地改變，使得研究人員、設(shè)計(jì)師和醫(yī)療從業(yè)者能夠 3D 打印逼真且機(jī)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(shí)現(xiàn)四個(gè)數(shù)量級(jí)的硬度值

噴墨3D打印研究
MacCurdy 和 Lawrence 的研究并不是第一個(gè)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(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)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(tuán)隊(duì)稱為混合活性材料 (HLM) 制造平臺(tái)，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(xué)信號(hào)。這些信號(hào)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(xiàng)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(xué)信號(hào)以控制生物體的行為。HLM 平臺(tái)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(xué))的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(gè)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。