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(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，如何通過組合不同樹脂材料創(chuàng)造特定的材料屬性。

△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(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)械性能測試和表征。接下來，通過創(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。

△該研究已在《先進(jìn)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(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�前的研究只評(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。

△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(jī)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(jī)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(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次測試。

通過使用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。

使用沖壓測試進(jìn)行機(jī)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(tuán)隊(duì)記錄了樣品的壓痕距離和力，當(dāng)材料失效時(shí)測試終止。該測試結(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。這是通過在復(fù)合材料設(shè)計(jì)過程中添加第三種液體基材料來實(shí)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(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(shí)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(zhǔn)確估計(jì)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(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。