首爾國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)多材料FDM 3D打印新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)材料成分和分布控制

2024年5月31日，南極熊獲悉，首爾國(guó)立大學(xué)的研究人員為FDM 3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)出了一種新的兩步工藝，可以制造出具有特定梯度材料特性的零件。這種新工藝生產(chǎn)出的部件在性能上具有顯著的差異。例如，機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和顏色可以以傳統(tǒng)FDM 3D打印無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式結(jié)合在一起。

△使用DM長(zhǎng)絲進(jìn)行b-FDM 3D打印示意圖

技術(shù)研發(fā)背景

通常情況下，用戶(hù)無(wú)法在FDM 3D打印中實(shí)現(xiàn)對(duì)材料成分的精確空間控制。這是因?yàn)镕DM噴嘴一次只能擠出一根長(zhǎng)絲。

為了克服這一難題，研究小組通過(guò)逐層沉積不同的基礎(chǔ)材料，3D打印出了一種“數(shù)字材料”（DM）。當(dāng)擠出這種長(zhǎng)絲時(shí)，這些材料在通過(guò)噴嘴時(shí)會(huì)均勻混合，從而在最終部件中形成所需的功能材料梯度。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》雜志，題目為“使用3D打印數(shù)字材料絲進(jìn)行3D打印，實(shí)現(xiàn)功能梯度編程”（傳送門(mén)）

這種新方法被稱(chēng)為混合FDM（b-FDM），可以使用標(biāo)準(zhǔn)的FDM 3D打印機(jī)和長(zhǎng)絲來(lái)實(shí)現(xiàn)，為生產(chǎn)功能梯度材料（FGM）提供了一種低成本、易獲得的方法。

據(jù)研究人員介紹，“支持b-FDM的材料梯度編程可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫多材料3D打印，并促進(jìn)不同材料之間通過(guò)機(jī)械上不可見(jiàn)的材料界面進(jìn)行牢固結(jié)合�！�

他們補(bǔ)充說(shuō)，這一工藝“為充分發(fā)揮FGM在各種工程應(yīng)用中的潛力提供了一條新途徑”。

△具有可調(diào)和多功能特性的b-FDM打印數(shù)字材料

利用b-FDM 3D打印出混合材料

研究人員采用新的b-FDM方法，將具有不同特性的多種材料3D打印到一根長(zhǎng)絲中，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料成分和分布的精確控制。

長(zhǎng)絲的3D打印層厚為125微米，由14層擠出材料組成。每層由2至4條3D打印線或擠出物組成，寬度為440微米。在整個(gè)3D打印過(guò)程中，原料都是人工更換的，將不同的顏色、強(qiáng)度、拉伸性和導(dǎo)電性能結(jié)合到最終的長(zhǎng)絲中。   

據(jù)首爾國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)介紹，任何市售的FDM 3D打印機(jī)和材料都可以用來(lái)制造DM長(zhǎng)絲。它的3D打印直徑為 1.75 毫米，與所有FDM系統(tǒng)兼容。

在這項(xiàng)研究中，DM長(zhǎng)絲是使用3D打印機(jī)制造商Prusa Research的Original Prusa i3 MK3S進(jìn)行3D打印的。這臺(tái)FDM 3D打印成型機(jī)配備了直徑為0.4毫米的噴嘴和直徑為1.75毫米的原料入口。通過(guò)將3D打印床加熱到70℃，并在220℃和240℃之間切換噴嘴溫度，實(shí)現(xiàn)了良好的附著力。   

然后使用i3 MK3S將DM長(zhǎng)絲3D打印成幾個(gè)測(cè)試部件。在這里，噴嘴被設(shè)置為240℃的最高溫度，以確保足夠的材料供應(yīng)。  

△多材料、多功能折紙夾持器的示意圖

具有梯度材料特性的3D打印部件

研究人員首先將導(dǎo)電聚乳酸（CPLA）與柔軟而有彈性的熱塑性聚氨酯（TPU）結(jié)合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試。CPLA是一種硬而脆的材料，由于含有炭黑 (CB) 納米顆粒而具有導(dǎo)電性。

通過(guò)b-FDM方法將這兩種材料結(jié)合在一起，該團(tuán)隊(duì)成功地3D打印出了具有柔韌性和導(dǎo)電性的部件。在測(cè)試了不同的材料配方后，他們將分?jǐn)?shù)應(yīng)變提高了168%，在應(yīng)變高達(dá)69%的情況下仍能保持導(dǎo)電性。這種DM長(zhǎng)絲的潛在應(yīng)用包括可拉伸傳感應(yīng)用和可穿戴電子設(shè)備。

研究小組還強(qiáng)調(diào)，b-FDM可以在3D打印部件中產(chǎn)生不同的顏色梯度。因此，DM長(zhǎng)絲提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，只需要一小部分標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)絲就可以制造出很多不同顏色的物體。在這項(xiàng)研究中，由四種基礎(chǔ)材料組成的單一DM長(zhǎng)絲被用來(lái)3D打印出具有36種不同顏色的物體。

為了展示b-FDM方法的價(jià)值，研究人人員還3D打印了一個(gè)多功能、可折疊的折紙夾持器。該組件包含剛性切面、軟鉸鏈和集成電子元件，包括彎曲和觸覺(jué)傳感器。整個(gè)裝置使用單根DM長(zhǎng)絲在一次3D打印作業(yè)中制作完成。

b-FDM 3D打印折紙夾持器沿著折痕呈現(xiàn)出清晰的折疊，并成功抓取物體，沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)械故障。相反，傳統(tǒng)的FDM 3D打印折紙夾持器一經(jīng)折疊就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象。

據(jù)研究人員稱(chēng)，這些結(jié)果凸顯了b-FDM打印通過(guò)材料梯度設(shè)計(jì)將各種所需功能有效融入工程系統(tǒng)的能力。展望未來(lái)，他們相信b-FDM方法將成為現(xiàn)有商用FDM 3D打印機(jī)的強(qiáng)大補(bǔ)充。希望這一工藝能夠更廣泛的推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。