AM：投影式光固化打印液晶彈性體耗能結(jié)構(gòu)

來(lái)源：EngineeringForLife

投影式光固化3D打印可創(chuàng)建具有特定微觀和宏觀體系的復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu),，而這些復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu)是目前傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。近期,，來(lái)自科羅拉多大學(xué)的Christopher M. Yakacki教授團(tuán)隊(duì)及南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系的葛锜教授團(tuán)隊(duì)在“Advanced Materials”期刊上發(fā)表了“Liquid-Crystal-Elastomer-Based Dissipative Structures by Digital Light Processing 3D Printing”一文,，該研究提出了一種可進(jìn)行投影式光固化打印的液晶彈性體（LCE）樹(shù)脂材料，該材料可用于打印各種復(fù)雜且具有高精度的耗能器件,。用該材料打印出結(jié)構(gòu)的能量耗散效果為商用光敏樹(shù)脂的27倍,，其特殊的機(jī)械性能有助于高能量吸收器件的發(fā)展及應(yīng)用。

首先,，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型光固化LCE樹(shù)脂,，通過(guò)使用光固化投影打印的LCE結(jié)構(gòu)（圖1、圖2）具有跨尺度可控的力學(xué)特性,，具體表現(xiàn)為：在介觀尺度上,，粘彈性通過(guò)化學(xué)來(lái)調(diào)節(jié)；在微觀尺度上,，力學(xué)行為通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)來(lái)控制,；在宏觀尺度上，通過(guò)調(diào)控打印器件的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)特性的控制,。

圖1 從不同尺度（介觀,、微觀及宏觀）上展示打印效果

圖2 光固化投影打印的LCE脊椎支架結(jié)構(gòu)

其次，研究人員使用LCE樹(shù)脂打印了具有正交各向異性,、各向同性和橫向各向同性對(duì)稱性的三種不同的晶格結(jié)構(gòu)（圖4）,，并通過(guò)壓縮試驗(yàn)對(duì)兩種材料打印的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了比較。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示LCE晶格的峰值應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商用樹(shù)脂晶格,。

圖3 打印結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)力學(xué)測(cè)試

最后,，研究人員對(duì)LEC打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)變能密度及阻尼性能（圖4）測(cè)試，結(jié)果顯示其具有很好的緩沖耗能效果,。

圖4 不同晶格材料的應(yīng)變能密度及材料的阻尼性能

總的來(lái)說(shuō),，該研究研發(fā)了一種光固化LCE樹(shù)脂，并使用投影式光固化打印方法制成耗能結(jié)構(gòu),，最終使其耗能效果遠(yuǎn)優(yōu)于商用光固化樹(shù)脂制成的結(jié)構(gòu)。展望未來(lái),，由于LCE材料具有優(yōu)越的能量耗散性,，可根據(jù)壓縮速率調(diào)整其剛度，從而在更大范圍的沖擊條件下提供保護(hù),，結(jié)合增材制造技術(shù)能夠針對(duì)特定應(yīng)用輕松優(yōu)化打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,，使其在運(yùn)動(dòng)和個(gè)人防護(hù)設(shè)備以及生物醫(yī)療設(shè)備中發(fā)揮巨大的作用,。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202000797