原位混合加工，拉夫堡大學研究人員開發(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打印與化學處理相結(jié)合。具體來講，它是利用有機化學品丙酮使3D打印物體中的目標層更加耐用。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械性能，幫助用戶控制它們在負載下的變形方式。

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，原位混合加工促進了真正的4D打印過程。"

△拉夫堡大學校園

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械性能的？答案就在于傳統(tǒng)的FDM三維打印機是如何擠出長絲的。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，以達到更好的融合。這增加了接觸面積和結(jié)合強度，通過選擇性地應(yīng)用丙酮，產(chǎn)生了可控的機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)學植入物應(yīng)用

Gleadall的團隊發(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，從長遠來看，這些部件的機械性能最多可恢復(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)學植入物。

這項研究的更多細節(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。

在學術(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)備和軟機器人的應(yīng)用。來自弗萊堡大學和斯圖加特大學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行復(fù)雜的運動。

在國內(nèi)，天津大學的科學家們最近4D打印了一個能夠自行漫游的自我推進的軟體機器人。這個管狀機器人是由一種叫做液晶彈性體的材料制成的，當接觸到熱量時，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。