研究人員開發(fā)出控制噴墨3D打印材料性能的新方法

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創(chuàng)新的噴墨增材制造工藝,，旨在確定材料特性,。這項研究成果被合著者Robert MacCurdy和Lawrence Smith稱為“屬性潘通”,，詳細描述了多材料噴墨3D打印,，如何通過組合不同樹脂材料創(chuàng)造特定的材料屬性,。

△實驗結(jié)果，顏色表示流體的體積分數(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混合三種 "原色 "材料來實現(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，研究人員運用定制軟件設(shè)計了數(shù)百個數(shù)字復(fù)合材料樣品,。完成3D打印后,，對樣品進行了機械性能測試和表征。接下來,，通過創(chuàng)建比較復(fù)合材料成分和機械性能的分析圖,，實現(xiàn)了所謂的“逆向材料設(shè)計”,。

這一過程顛覆了傳統(tǒng)的材料選擇方式。通常情況下,，工程師會尋找具有所需材料特性的合適材料,，然后進行設(shè)計。相反,，新的方法允許首先為零件指定所需的材料屬性,，然后再進行3D打印。

△該研究已在《先進材料》雜志上發(fā)表,，題目為“通過增材制造數(shù)字多相復(fù)合材料”（傳送門）

研究人員聲稱,，這項研究首次描述了由三種具有不同機械性能的噴墨材料制成的數(shù)字材料復(fù)合材料的特性。因為之前的研究只評估了兩種材料的復(fù)合材料,，"缺乏機械真實性",。

這一過程的潛在應(yīng)用非常廣泛。研究人員強調(diào),，3D打印合成生物組織在機械上合理的潛在用例中具有重要意義,。通過逆向材料設(shè)計方法，用戶可以設(shè)計并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,。

△測試具有規(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打印機噴射光聚合物樹脂液滴,，然后由UV光源固化，形成3D物體,。

3D打印機制造商Stratasys的Agilus和Vero噴墨3D打印樹脂在固化后具有不同的特性,。Agilus成為堅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)計過程中添加了第三種液體材料,。研究期間,，對110種獨特的復(fù)合材料配方進行了188次測試。

通過使用3D打印零件進行實驗觀察和驗證,，研究人員表明,，通過組合3種基材，可以獨立決定彈性和韌性等機械性能,。

使用沖壓測試進行機械測試,。3D打印的測試樣品暴露在通過“沖壓區(qū)域”降低的不銹鋼銷釘上。然后，該團隊記錄了樣品的壓痕距離和力,，當材料失效時測試終止,。該測試結(jié)果強調(diào)，彈性模量和韌性屬性是解耦的,，并且可以在3D打印過程中獨立指定,。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,。這是通過在復(fù)合材料設(shè)計過程中添加第三種液體基材料來實現(xiàn)的。

△通過構(gòu)建噴墨復(fù)合材料中多相成分的分布,，可以實現(xiàn)四個數(shù)量級的模量值,。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。這是通過在微觀尺度的復(fù)合材料成分和宏觀材料屬性之間創(chuàng)建映射來實現(xiàn)的,。

通過分析模型和數(shù)學(xué)方程,，研究人員成功地利用這些映射來準確估計各種結(jié)合了彈性體、剛性和液體樹脂的噴墨復(fù)合材料的機械性能,。

最終,，研究人員認為這些發(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確材料特性,。該團隊表示，這項研究的結(jié)果使得材料的剛度和韌性能夠同時且獨立地改變,。這使得研究人員,、設(shè)計師和醫(yī)療從業(yè)者能夠3D打印逼真且機械上令人信服的合成生物組織。