剛性還是彈性？借助3D打印改變屬性的塑料材料

南極熊導讀：近年來，許多大學研究項目一直在通過增材制造開發(fā)多功能材料。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，制造能夠再生器官或骨骼結(jié)構(gòu)的織物以及設(shè)計先進的生物醫(yī)學設(shè)備非常重要。

△普林斯頓大學的研究人員開發(fā)一種彈性新材料

2025年1月6日，南極熊獲悉，普林斯頓大學的研究人員在工程學領(lǐng)域取得了新的進展，開發(fā)出一種基于熱塑性彈性體(TPE)的新型3D打印材料，能夠?qū)崿F(xiàn)從柔軟到剛性的可調(diào)節(jié)特性。這項由Alice Fergerson和Emily Davidson領(lǐng)導的研究，不僅擴展了增材制造在醫(yī)療和生物醫(yī)學設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用，還為其它行業(yè)提供了新的材料選擇。

該研究團隊選擇的TPE是一種嵌段共聚物，它獨特的熔融成型和冷卻凝固特性，使得工程師能夠通過3D打印技術(shù)精確控制材料的物理屬性。這種材料由分散在彈性基質(zhì)中的剛性納米級圓柱體組成，這些圓柱體在材料內(nèi)部形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，從而在保持整體柔韌性的同時，實現(xiàn)局部的剛性。

具體來說，這種材料的剛性圓柱形結(jié)構(gòu)厚度僅為5至7納米，與人類頭發(fā)直徑的1/18000和DNA螺旋直徑相當，這一尺度的精確控制賦予了材料前所未有的性能。通過調(diào)整3D打印過程中的打印速度和材料擠出，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)圓柱體的納米級定向排列，從而創(chuàng)造出具有局部剛性區(qū)域和柔軟彈性區(qū)域的復合材料。

△新型3D打印材料能夠?qū)崿F(xiàn)從柔軟到剛性的可調(diào)節(jié)

自我修復特性

這一工藝最有趣的方面在于塑料材料的熱退火以及自修復特性。Fergerson解釋說，熱退火顯著改善了打印后材料的性能。這一工藝使實驗室打印的物體可以重復使用多次，甚至在損壞時可以自我修復。為了證明這些自修復特性，研究人員切下了一個柔性的打印材料樣本，并通過退火對它進行修復。根據(jù)他們的觀察，修復后的材料與原件沒有明顯的區(qū)別。

研究團隊的成員Emily Davidson強調(diào)，目前市場上類似的材料不僅成本高，而且需要復雜的加工流程，例如受控擠壓和紫外線處理，每克成本大約為2.50美元（約合18元人民幣）。相比之下，本項目中使用的TPE每克成本僅為0.01美元（約合0.07元人民幣），且能夠通過商業(yè)級3D打印機進行打印，大大降低了成本，并為大規(guī)模應(yīng)用提供了便利。

該研究的核心目標之一是開發(fā)出具有局部可調(diào)節(jié)機械性能的軟材料，同時采用經(jīng)濟高效且易于擴展的工業(yè)方法。Davidson指出，這種方法在設(shè)計先進軟材料方面具有廣泛的應(yīng)用潛力，包括軟機器人、醫(yī)療設(shè)備、假肢以及高性能定制鞋底等領(lǐng)域。

未來，研究團隊計劃進一步開發(fā)新的3D打印架構(gòu)，以適應(yīng)可穿戴電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學設(shè)備等應(yīng)用。