旋轉多材料3D打印異質螺旋結構

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�
供稿人：白路歌 王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

螺旋結構在自然界中普遍存在，并具備獨特的機械性能和多功能性。例如，肌動蛋白和原肌凝蛋白在骨骼肌細絲中的螺旋狀組裝導致了骨骼肌的高收縮力和特異性工作能力，植物的嗅覺運動源于植物細胞壁內螺旋排列的剛性纖維素纖維。目前制造螺旋結構的方式有纏繞、扭曲和編織單個細絲、微流體、自成型和打印等方法，然而，這些方法無法實現(xiàn)局部可編程的多材料螺旋結構的制造。

哈佛大學Lewis團隊開發(fā)了一個旋轉多材料3D打印（RM-3DP）平臺，通過控制多材料噴嘴轉動角速度與平動速度的比值，創(chuàng)建了具有可編程螺旋角、層厚度和多材料界面面積的螺旋細絲。研究者通過將打印噴嘴與電機耦合實現(xiàn)了噴嘴以角速度ω的自由旋轉（圖1a）。打印噴嘴具有“殼-扇-芯”幾何結構，其中“扇”層設計了異質結構（圖1b）。在打印螺旋結構的細絲時，噴嘴旋轉的角速度與平動速度之比ω/v決定了螺旋結構的理論螺旋角φ (r) = tan−1(rω/v)，其中r代表徑向位置 (r = 0為噴頭中心)。改變打印頭和平動方向的夾角可進行原型打�。▓D1d）、傾斜打印（圖1e）和垂直打�。▓D1f）三種構型的打印。為了使垂直打印的細絲具有機械穩(wěn)定性，打印頭配備了紫外線燈，以便在材料擠出過程中將其固化。

圖1 可編程亞體素結構控制的旋轉多材料3D打印

研究者以粘彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）墨水為例，研究了打印構型、噴頭角速度ω、接收距離 h和材料擠出流量Q對打印的細絲和其中的亞體素幾何形狀的影響（圖2a）。在原型打印時，h和ω的高值導致細絲變成非圓柱形或偏離打印路徑，在亞體素水平上，高ω和低h時亞體素顯示出翹曲的螺旋結構，這種翹曲效應在傾斜打印時顯著減少，傾斜打印的h*= 1時觀察到最佳的長絲和亞體素幾何形狀。為了進一步證明對亞體素化細絲的方向進行局部編程的能力，研究者打印了具有ω梯度、ω開關和交替手性的一維（1D）細絲（圖2b），并使用螺旋打印路徑分別進行了無螺旋結構 （圖2d (i)）、分層螺旋結構（圖2d (ii)）和外部保持藍色材料痕跡的結構（圖2d (iii)）。

圖2 旋轉多材料3D打印跨尺度復雜幾何圖形

研究者通過RM-3DP平臺實現(xiàn)了任意1D、2D和3D圖案的合成多材料螺旋細絲的可編程制造，并在后續(xù)制造了有高保真度的螺旋介電彈性體驅動器和嵌入介電彈性體基質中的可單獨尋址的導電螺旋通道組成的功能性人造肌肉，為制造多功能材料的復雜仿生結構開辟了新的途徑。

參考文獻：
Larson N M, Mueller J, Chortos A, et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control[J]. Nature, 2023: 1-7.