近年來，許多大學研究項目通過增材制造開發(fā)多功能材料。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，創(chuàng)建能夠再生器官或骨骼結(jié)構(gòu)的織物以及設(shè)計先進的生物醫(yī)學設(shè)備非常重要。同時，其他領(lǐng)域也在創(chuàng)造新的3D可打印材料，提供了廣泛的應(yīng)用潛力。

為了展示這一點，普林斯頓大學的Alice Fergerson和由Emily Davidson領(lǐng)導(dǎo)的工程師團隊開發(fā)了一種能夠采用不同柔韌性水平的塑料材料。這種材料由一類稱為TPE的聚合物組成，使得設(shè)計和制造剛性可調(diào)的柔性3D打印結(jié)構(gòu)成為可能。得益于3D打印，工程師能夠控制這種材料的物理特性，使織物能夠在同一方向上反復(fù)拉伸和彎曲，同時在另一個方向上保持剛性。

塑料材料的特性 普林斯頓大學工程團隊選擇的熱塑性彈性體是一種在熔融時可以成型的嵌段共聚物。當它冷卻時，它會固化成彈性結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象可以通過共聚物內(nèi)部組分的行為來解釋，這些組分由均聚物組成，在冷卻時像油和水一樣分離而不是混合。研究人員利用這一特性創(chuàng)造了一種由分散在彈性基體中的剛性圓柱體組成的材料，使材料在保持內(nèi)部特性的同時保持柔性。

這種塑料材料的剛性圓柱結(jié)構(gòu)厚度為5至7納米，嵌入在彈性聚合物基體中。作為參考，一根人類頭發(fā)的直徑約為90,000納米，而DNA螺旋約為1納米。研究人員還研究了打印速度和受控材料擠出如何調(diào)節(jié)打印材料的物理特性。得益于3D打印，圓柱體可以在納米級別定向，創(chuàng)造出在保持柔軟、彈性區(qū)域的同時提供局部剛性的材料。

其自修復(fù)特性 這一過程最有趣之處在于塑料材料的熱退火及其自修復(fù)特性。Fergerson解釋說，熱退火顯著提高了材料在打印后的性能。這一過程使得實驗室打印的物體可以多次重復(fù)使用，甚至在受損時能夠自我修復(fù)。為了展示這些自修復(fù)特性，研究人員將打印材料的一個柔性樣本切割并通過對退火進行修復(fù)。根據(jù)他們的觀察，修復(fù)后的材料與原始材料沒有明顯區(qū)別。

Davidson指出，在其他環(huán)境中使用的類似材料價格昂貴且需要復(fù)雜的加工過程，例如受控擠出后進行紫外線處理。這些材料的價格約為每克2.50美元。相比之下，該項目中使用的熱塑性彈性體成本僅為每克約一美分，并且可以使用商用3D打印機進行打印。這使得材料不僅經(jīng)濟實惠，而且易于實現(xiàn)低成本打印解決方案。

該項目的主要目標之一是開發(fā)具有局部可調(diào)機械性能的軟材料，同時采用一種經(jīng)濟實惠且易于工業(yè)規(guī)?；闹圃旆椒?。Davidson認為，這種設(shè)計先進軟材料的方法可以在軟機器人、醫(yī)療設(shè)備、假肢和高性能定制鞋底等多個領(lǐng)域應(yīng)用。研究團隊的下一步將是創(chuàng)造新的3D可打印結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)可穿戴電子設(shè)備和生物醫(yī)學設(shè)備等應(yīng)用。