西湖大學周南嘉團隊:通過模塊化設計的擠出頭調控纖維內部周期性結構

來源：摩方 PuSL高精密

具有復雜內部結構的多材料一維（1D）纖維一直是科學與工程領域的研究熱點。其柔性、可擴展性和多功能性使纖維廣泛應用于驅動器、發(fā)光器件、儲能設備、傳感器和藥物輸送裝置等應用。其中，周期性結構纖維可以通過對周期的設計和調控，顯著提高纖維的性能和功能。將一維纖維組裝成二維圖案或三維結構將大大擴展其應用空間。然而，傳統(tǒng)的纖維加工方法（包括熔融紡絲、溶液紡絲和靜電紡絲）需要編織、針織等后紡絲工藝，這限制了生產(chǎn)效率，并給材料選擇和復雜結構的制造帶來了困難。

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造 (AM) 具有復雜結構設計和快速成型的優(yōu)勢。利用 3D 打印技術，可以輕松實現(xiàn)微觀和宏觀結構的制造。其中，直接墨水書寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢。為了擴展擠出過程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設計已被用于創(chuàng)建多功能纖維結構。然而，由于高分辨率微流道的設計和制造的復雜性，目前擠出頭的結構選擇仍然有限。

基于此，西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調控周期性結構的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結構的 3D 物體。不同功能的模塊可以通過串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)等不同的方式進行連接組裝，用來制備具有層狀結構和棋盤結構的多材料纖維。纖維內部的周期性結構可以通過調節(jié)工藝參數(shù)，模塊的種類數(shù)量和尺寸進行控制。通過模塊化平臺策略，極大的簡化了擠出頭設計的難度，提高了具有周期性結構纖維的加工效率。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印設備（精度：10μm）一體化成型制造而成。

通過研究團隊的策略，兩種具有相似流變性能和不同機械性能的不混溶材料用于共擠出。周期性結構可以顯著提高纖維和晶格結構的機械性能。首先，對于硬/軟硅橡膠復合彈性體，層狀結構纖維展現(xiàn)出最高的斷裂韌性（14.009 KJ/m2），分別是均質軟硅橡膠和硬硅橡膠的1.8和11.8倍。其次，受生物珍珠殼狀結構啟發(fā)，加工得到環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復合材料，纖維的增韌效果表現(xiàn)出明顯的各向異性行為。在此基礎上，研究團隊通過控制打印路徑，在3維木樁結構中對周期結構進行空間編程，使打印結構在壓縮測試中不會發(fā)生災難性的結構損壞。與直接混合的復合材料相比，層狀結構的纖維的韌性和交錯木樁結構的能量吸收能力表現(xiàn)出了顯著的增強，分別提高了 4.3 倍（10.45 MPa）和 6.5 倍（12.43 J/g）。

本研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”為題發(fā)表在學術期刊《Additive Manufacturing》上。西湖大學博士生任靖波為論文第一作者，西湖大學特聘研究員周南嘉為論文通訊作者。本研究得到了西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心，先進微納加工與測試平臺，物質科學公共實驗平臺的大力支持。

圖1. 模塊化擠出頭和打印結構。(a)：模塊化擠出頭打印設備和打印 3D 結構的示意圖。放大的部分顯示了具有內部流道結構的基本單元倍增器 (BME) 設計。(b)：通過分裂、堆疊、擴散實現(xiàn)流體強制倍增的過程。(c)：組裝策略對纖維結構的影響。模塊化擠出頭設計以及對應于串聯(lián)和串并聯(lián)擠出頭各個部分的理論纖維結構——包括入口模塊 (IM)、倍增模塊 (MM)、出口模塊 (OM) 和連接模塊 (CM) 等功能模塊、纖維內部周期性圖案示意圖以及串聯(lián)和串并聯(lián)組裝策略的打印纖維的橫截面照片。比例尺，2 mm (a), 100 μm (c)。

圖2.  (a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片。(b):定制的四軸打印平臺(左)和在3D打印設備中組裝的擠出頭(右)。比例尺，5 mm (a)。

圖3. 纖維內部周期性結構的調控。(a-b)：粘度匹配對層均勻性的影響。(c)：流量比對層厚度的影響。(d-e)：多層結構纖維的橫截面照片與實際層厚與理論層厚的比較。比例尺，100 μm (c,d)。

圖4. 硬/軟硅橡膠層狀復合彈性體的力學性能。(a)：硬/軟硅橡膠墨水的流變行為。(b)：組分對彈性體韌性的影響。(c)：層狀結構增韌機理與復合彈性體纖維在拉伸試驗過程中相應的斷裂過程。(d)：層數(shù)對彈性體韌性的影響。(e)：韌性和臨界應變的比較。比例尺，100 μm (a)，1 mm (c)。

圖5. 環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復合纖維的力學性能。（a）：環(huán)氧樹脂/硅橡膠墨水的流變行為。（b）：三點彎曲試驗示意圖和相應的長絲應力分布。（c）：復合纖維的測試方向。（d）：組分對復合材料模量和韌性的影響。（e）：層狀結構阻止裂紋擴展進行增韌。（f）：層數(shù)對復合材料韌性的影響。比例尺，100 μm (a)，1 mm (e)。

圖6. 3D交錯木樁結構的力學性能。（a）：打印路徑示意圖。（b）：壓縮應力-應變曲線。（c）：打印結構在壓縮測試中相應的失效過程。比例尺，5 mm（c）。

通過引入更多功能模塊和不同的組裝方式，可以設計高度可定制化的擠出頭，以制備具有獨特性能和新功能的復雜結構纖維。設計的靈活性和材料兼容性使研究團隊的策略在建筑、光電、生物醫(yī)學支架等領域具有良好的應用前景。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234