本帖最后由 冰墩熊 于 2024-1-29 16:59 編輯
2024年1月29日,,南極熊獲悉,,科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員最近推出了一項(xiàng)創(chuàng)新的噴墨增材制造工藝,,旨在確定材料特性,。這項(xiàng)研究成果被合著者Robert MacCurdy和Lawrence Smith稱為“屬性潘通”,,詳細(xì)描述了多材料噴墨3D打印,,如何通過(guò)組合不同樹(shù)脂材料創(chuàng)造特定的材料屬性。
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2024-1-29 15:42 上傳
△實(shí)驗(yàn)結(jié)果,,顏色表示流體的體積分?jǐn)?shù),。這些復(fù)合材料占據(jù)與生物材料相似的模量-韌性空間區(qū)域
與通過(guò)混合不同的原色可以創(chuàng)造出特定的顏色類似,這些研究成果概述了如何通過(guò)混合三種 "原色 "材料來(lái)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的3D打印材料特性,。這些材料包括軟彈性體,、硬塑料和液體成分。
在研究中,,研究人員運(yùn)用定制軟件設(shè)計(jì)了數(shù)百個(gè)數(shù)字復(fù)合材料樣品,。完成3D打印后,,對(duì)樣品進(jìn)行了機(jī)械性能測(cè)試和表征。接下來(lái),,通過(guò)創(chuàng)建比較復(fù)合材料成分和機(jī)械性能的分析圖,,實(shí)現(xiàn)了所謂的“逆向材料設(shè)計(jì)”。
這一過(guò)程顛覆了傳統(tǒng)的材料選擇方式,。通常情況下,,工程師會(huì)尋找具有所需材料特性的合適材料,然后進(jìn)行設(shè)計(jì),。相反,,新的方法允許首先為零件指定所需的材料屬性,然后再進(jìn)行3D打印,。
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研究人員聲稱,這項(xiàng)研究首次描述了由三種具有不同機(jī)械性能的噴墨材料制成的數(shù)字材料復(fù)合材料的特性,。因?yàn)橹暗难芯恐辉u(píng)估了兩種材料的復(fù)合材料,,"缺乏機(jī)械真實(shí)性"。
這一過(guò)程的潛在應(yīng)用非常廣泛,。研究人員強(qiáng)調(diào),,3D打印合成生物組織在機(jī)械上合理的潛在用例中具有重要意義。通過(guò)逆向材料設(shè)計(jì)方法,,用戶可以設(shè)計(jì)并3D打印具有精確模仿所需生物組織剛度和韌性組合的材料,。
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△測(cè)試具有規(guī)定剛度的樣品
3D打印材料屬性的潘通色卡
多材料噴墨3D打印機(jī)噴射光聚合物樹(shù)脂液滴,然后由UV光源固化,,形成3D物體,。
3D打印機(jī)制造商Stratasys的Agilus和Vero噴墨3D打印樹(shù)脂在固化后具有不同的特性。Agilus成為堅(jiān)韌且柔韌的彈性體材料,,而Vero則形成剛性塑料,。這兩種材料可以以不同的比例組合,形成具有不同性能的復(fù)合材料,。然而,,這些組合的性能可能性是有限的。
為了實(shí)現(xiàn)更大的材料性能自由度,,科羅拉多大學(xué)的研究人員在復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中添加了第三種液體材料,。研究期間,對(duì)110種獨(dú)特的復(fù)合材料配方進(jìn)行了188次測(cè)試,。
通過(guò)使用3D打印零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和驗(yàn)證,,研究人員表明,通過(guò)組合3種基材,,可以獨(dú)立決定彈性和韌性等機(jī)械性能,。
使用沖壓測(cè)試進(jìn)行機(jī)械測(cè)試,。3D打印的測(cè)試樣品暴露在通過(guò)“沖壓區(qū)域”降低的不銹鋼銷釘上。然后,,該團(tuán)隊(duì)記錄了樣品的壓痕距離和力,,當(dāng)材料失效時(shí)測(cè)試終止。該測(cè)試結(jié)果強(qiáng)調(diào),,彈性模量和韌性屬性是解耦的,并且可以在3D打印過(guò)程中獨(dú)立指定,。更重要的是,,該研究得出的結(jié)論是,使用這種方法可以解耦任何兩種材料屬性,。這是通過(guò)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中添加第三種液體基材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。
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△通過(guò)構(gòu)建噴墨復(fù)合材料中多相成分的分布,可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)數(shù)量級(jí)的模量值,。該硬度范圍涵蓋多種生物組織
研究人員還演示了具有規(guī)定屬性的3D打印物體的逆向設(shè)計(jì),。這是通過(guò)在微觀尺度的復(fù)合材料成分和宏觀材料屬性之間創(chuàng)建映射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)分析模型和數(shù)學(xué)方程,,研究人員成功地利用這些映射來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)各種結(jié)合了彈性體,、剛性和液體樹(shù)脂的噴墨復(fù)合材料的機(jī)械性能。
最終,,研究人員認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有巨大的潛力,。
利用目前的方法,研究人員一直在努力獲得反映生物組織的準(zhǔn)確材料特性,。該團(tuán)隊(duì)表示,,這項(xiàng)研究的結(jié)果使得材料的剛度和韌性能夠同時(shí)且獨(dú)立地改變。這使得研究人員,、設(shè)計(jì)師和醫(yī)療從業(yè)者能夠3D打印逼真且機(jī)械上令人信服的合成生物組織,。
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