研究

拉夫堡大学的研究人员开发了一种新的丙酮驱动的4D打印技术

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研究人员拉夫堡大学他们开发了一种新型的混合3D打印技术,可以随着时间的推移改变打印部件的属性,从而实现了一种新的4D打印形式。

该方法名为材料处理挤压增材制造(MaTrEx-AM),将传统挤压3D打印与化学处理相结合。具体来说,它利用有机化学物质丙酮,使3D打印物体中的目标层更耐用。根据丙酮的分布方式和层与层之间的用量,该技术可以3D打印具有可修改力学性能的部件,允许用户控制它们在负载下的变形。

安迪Gleadall博士、高级讲师添加剂生产和研究的合著者,说,“大量的潜在有价值的新功能部件和结构,但也许最明显的是部分变形操作期间,他们的方式变形需要控制。机械性能的时间依赖性意味着该方法为材料性能增加了一个新的维度,现场混合处理促进了真正的4D打印过程。”

拉夫堡大学校园。图片来自拉夫堡大学。
拉夫堡大学校园。图片来自拉夫堡大学。

丙酮和3D打印

丙酮是一种常见的溶剂,从指甲油去除产品到汽油和油脂切割器都使用丙酮。在3D打印行业爱游戏备用网址,这种化合物可以作为表面处理剂,因为它可以溶解像ABS这样的聚合物,使用户可以平滑层线,使其隐形。MaTrEx-AM工艺将这一概念更进一步,将丙酮应用于层间原位,而不是印刷零件的外部。

但是丙酮是如何改变这些印刷层的机械性能的呢?答案就在于传统FDM 3D打印机是如何挤压灯丝的。由于FDM系统将熔融灯丝从圆形喷嘴中沉积出来,因此产生的轨迹是圆柱形的。这导致轨道之间的接触面积相对较小,导致层粘接不足,并最终导致较弱的部分。

格莱德尔解释说:“这个过程是一层一层地增加材料——层与层之间有凹槽,有点像你看到的,如果你把很多木头并排堆放在一起。3D打印零件往往很脆弱,这是因为层间的顺序铺设方式,所以层间有几何缺陷,层间材料的粘合可能不如纯聚合物好。”

通过在这些圆柱形轨道上涂上丙酮,就有可能将它们熔化在一起,以达到更好的熔化效果。这增加了接触面积和键的强度,通过选择性的丙酮应用,产生了可控的机械性能(和可编程的变形剖面)。

丙酮平滑3D打印部分的ASA。通过Prusa照片。
丙酮平滑3D打印部分的ASA。通过Prusa照片。

头盔衬垫和生物医学植入物

Gleadall的团队发现,通过使用丙酮,可以将PLA和ABS零件的可塑性提高25到16倍,增加处理区域的韧性。然而,从长期来看,这些部件的力学性能恢复到原始值高达90%,这正是4D技术发挥作用的地方。ABS在3小时内即可恢复,而PLA标本则需要60天才能恢复。重要的是,即使印刷零件恢复了它们的特性,在那个时期所做的任何几何变化都被保留了下来。

据拉夫堡研究小组称,MaTrEx-AM在现实世界中的应用包括用于抗冲击头盔填充物的4D格子结构,以及随患者解剖结构而变形的动态生物医学植入物。

该研究的进一步细节可以在题为MaTrEx AM:一种新的混合添加剂制造工艺,选择性地控制机械性能

MaTrEx-AM及其对3D打印聚合物零件的影响。图片来自拉夫堡大学。
MaTrEx-AM及其对3D打印聚合物零件的影响。图片来自拉夫堡大学。

在学术领域,4D打印已经证明自己是一个伟大的应用工具,如医疗设备和软机器人。研究人员弗莱堡大学斯图加特大学最近发展了一种新的方法4D打印可穿戴的手腕夹板,自我调整对病人的解剖。受空气马铃薯植物(黄药)繁殖机制的启发,印刷系统可以预先编程,在暴露于水分时进行复杂的运动。

在其他地方,在天津大学美国、中国和美国科学家最近发表了一份研究报告4D打印了一个自我推进的软体机器人能够自己四处游荡。这种管状机器人由一种叫做液晶弹性体的材料制成,当接触到热量时,它可以自我组装。该设备巧妙地利用编程的折叠模式在自身体内诱发张力,使其能够像圆木一样滚动。

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图为拉夫堡大学校园。图片来自拉夫堡大学。