原位混合加工，拉夫堡大學(xué)研究人員開發(fā)新型丙酮驅(qū)動4D打印技術(shù)——MaTrEx-AM

導(dǎo)讀：2021年10月13日，南極熊獲悉，拉夫堡大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型混合3D打印技術(shù)。這項新技術(shù)能夠隨著時間的推移改變打印部件的屬性，從而實現(xiàn)一種新形式的4D打印。

這項新方法被命名為材料處理擠壓增材制造（MaTrEx-AM），它將傳統(tǒng)的基于擠壓的3D打印與化學(xué)處理相結(jié)合。具體來講，它是利用有機(jī)化學(xué)品丙酮使3D打印物體中的目標(biāo)層更加耐用。通過丙酮的分布和層層之間的反應(yīng)程度，可以使3D打印部件具有可修改的機(jī)械性能，幫助用戶控制它們在負(fù)載下的變形方式。

增材制造高級講師、該研究的共同作者Andy Gleadall博士說："新工藝對大量的零件和結(jié)構(gòu)都具有潛在的價值，但最明顯的可能是在操作過程中會變形的零件，而它們變形的方式需要控制。機(jī)械性能的時間依賴性意味著該方法為材料能力增加了一個新的維度，原位混合加工促進(jìn)了真正的4D打印過程。"

△拉夫堡大學(xué)校園

丙酮和3D打印

丙酮是一種常見的溶劑，從去除指甲油的產(chǎn)品到汽油和油脂切割器都有使用。在3D打印行業(yè)中，這種化合物被用作表面處理劑，因為它可以溶解ABS等聚合物，使用戶能夠平滑地覆蓋層線，使其不可見。MaTrEx-AM工藝將這一概念向前推進(jìn)了一步，在層與層之間使用丙酮原位反應(yīng)，而不是在打印部件的外部。

但是，丙酮是如何改變這些打印層的機(jī)械性能的？答案就在于傳統(tǒng)的FDM三維打印機(jī)是如何擠出長絲的。由于FDM系統(tǒng)是將熔化的長絲從一個圓形的噴嘴中注入，產(chǎn)生的軌道是圓柱形的。這導(dǎo)致軌道之間的接觸面積相對較小，導(dǎo)致層間結(jié)合不足，最終導(dǎo)致部件變得脆弱。

Gleadall解釋說："這個過程是逐層添加材料，層與層之間有凹槽，有點像你把很多木頭側(cè)著堆在一起，全部排成一排。3D打印的部件通常很薄弱，因為層的鋪設(shè)方式是依次進(jìn)行的，所以層與層之間有幾何缺陷，層與層之間的材料結(jié)合可能不如純聚合物好。"

通過在這些圓柱形軌道上涂抹丙酮，有可能將它們?nèi)诨�在一起，以達(dá)到更好的融合。這增加了接觸面積和結(jié)合強(qiáng)度，通過選擇性地應(yīng)用丙酮，產(chǎn)生了可控的機(jī)械性能以及和可編程的變形曲線。

△丙酮撫平ASA制成的3D打印“貓頭鷹”模型。照片來自Prusa。

頭盔襯墊和生物醫(yī)學(xué)植入物應(yīng)用

Gleadall的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，他們可以通過應(yīng)用丙酮將PLA和ABS部件的可塑性提高到25-和16倍，增加了處理區(qū)域的韌性。然而，從長遠(yuǎn)來看，這些部件的機(jī)械性能最多可恢復(fù)到其原始值的90%，這就是4D的作用所在。ABS的這種恢復(fù)發(fā)生在三個小時之內(nèi)，而PLA的試樣則需要60天才能恢復(fù)。重要的是，即使在打印部件恢復(fù)其屬性后，在這段時間內(nèi)所產(chǎn)生的任何幾何變化都被保留下來。

根據(jù)拉夫堡團(tuán)隊的說法，MaTrEx-AM在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用包括用于抗沖擊頭盔襯墊的4D晶格結(jié)構(gòu)，以及隨著病人的解剖結(jié)構(gòu)而變形的動態(tài)生物醫(yī)學(xué)植入物。

這項研究的更多細(xì)節(jié)可在題為“MaTrEx AM: A new hybrid additive manufacturing process to selectively control mechanical properties”的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421004954

△MaTrEx-AM及其對3D打印聚合物部件的影響。圖片來自拉夫堡大學(xué)。

在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，4D打印已被證明是一個偉大的工具，如醫(yī)療設(shè)備和軟機(jī)器人的應(yīng)用。來自弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新穎的4D打印方法，即根據(jù)病人的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我調(diào)整的可穿戴手腕夾板。受空氣馬鈴薯植物（Dioscoreabulbifera）繁殖機(jī)制的啟發(fā)，該打印系統(tǒng)可以預(yù)先編程，以便在接觸到水分時進(jìn)行復(fù)雜的運動。

在國內(nèi)，天津大學(xué)的科學(xué)家們最近4D打印了一個能夠自行漫游的自我推進(jìn)的軟體機(jī)器人。這個管狀機(jī)器人是由一種叫做液晶彈性體的材料制成的，當(dāng)接觸到熱量時，它可以自我組裝。該設(shè)備巧妙地利用了編程的折疊模式，在自己的身體內(nèi)引起應(yīng)變，這使它能夠像木頭一樣翻滾。