3D打印纖維素基水凝膠，制造多方向剛度梯度的多材料零件

2020年6月3日，南極熊從外媒獲悉，由斯圖加特大學、弗吉尼亞大學和伊斯坦布爾Koc大學的研究人員組成的團隊，3D打印出了具有多方向剛度梯度的多材料零件。

研究人員能夠創(chuàng)造出一組具有不同機械和流變特性的纖維素基線材，盡管它們的成分相似，但卻具有不同的機械和流變特性。然后將這些材料相互配合使用，將特定的變形曲線編程成復雜的零件。

連續(xù)漸變打印的制造工藝，圖片由斯圖加特大學提供

功能性梯度材料

功能性分級材料（FGMs）具有逐漸變化的成分或結構----可以是連續(xù)的或階梯式的。這種逐漸變化的結果是 "屬性梯度"，即特定的屬性或特性隨著成分或結構的變化而變化。在自然界中，我們經常可以看到FGM的存在。特定功能細胞或物質類型的濃度和分布會對它所處的位置的功能產生很大的影響。

在科學和工程領域，FGMs在薄膜涂層、生物醫(yī)學應用、建筑學等方面都很有用。一類特殊的FGMs，如本研究所涉及的FGMs，具有不同的剛度梯度。它們通常用于分配界面處的應力，在軟執(zhí)行器中編程變形曲線，并影響細胞遷移率。然而，FGM的制造確實有其挑戰(zhàn)，因為梯度的連續(xù)性和方向性的自由度在今天的技術中很難實現。


3D打印纖維素基FGMs

為了開發(fā)一種具有連續(xù)、多方向剛度梯度的可調諧粘彈性材料的3D打印新方法，團隊開始工作。由于羥乙基纖維素(HEC)具有環(huán)保性，因此被選為基礎材料。研究人員加入檸檬酸，將水溶液變成固體水凝膠，這樣就可以擠出。他們還發(fā)現，木質素的加入明顯提高了水凝膠的硬度和拉伸強度。木質素和檸檬酸作為添加劑的組合物被用來實現一系列的機械性能，并打印出了一組樣品零件---所有這些零件的性能梯度都不同。

從設計到制造FGM樣品的工作流程，圖片來自斯圖加特大學

然后生成了一個定制的G代碼，專門用于在每個零件中創(chuàng)建精確的剛度曲線。通過精心控制的擠出，團隊將梯度信息嵌入到零件的實際設計中。一旦打印出來，由于零件的幾何形狀的剛度變化，樣品可以在獨特的輪廓上進行變形。最終，研究人員在每個樣品中 "編程 "了一套所需的變形幾何形狀。

由于剛度變化而產生的可編程變形的樣品，圖片來源：斯圖加特大學

該研究的更多細節(jié)可以在題為 "Additive manufacturing of cellulose-based materials with continuous, multidirectional stiffness gradients "的論文中找到。該論文由P. A. G. S. Giachini、S. S. Gupta、W. Wang、D. Wood、M. Yunusa、E. Baharlou、M. Sitti和A. Menges共同撰寫。

10.1126@sciadv.aay0929.pdf (1.13 MB, 下載次數: 441)

2020-6-3 10:54 上傳

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編譯自：3dprintingindustry