剛性還是彈性?得益于3D打印而改變特性的塑料材料

打印派   2025-01-08 10:13:04

近年來,許多大學(xué)研究項(xiàng)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(jì)先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備非常重要。同時(shí),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(diǎn),普林斯頓大學(xué)的Alice Fergerson和由Emily Davidson領(lǐng)導(dǎo)的工程師團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)在另一個(gè)方向上保持剛性。

塑料材料的特性 普林斯頓大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)選擇的熱塑性彈性體是一種在熔融時(shí)可以成型的嵌段共聚物。當(dāng)它冷卻時(shí),它會(huì)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(shí)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(shí)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(jí)別定向,創(chuàng)造出在保持柔軟、彈性區(qū)域的同時(shí)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(shí)驗(yàn)室打印的物體可以多次重復(fù)使用,甚至在受損時(shí)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(gè)柔性樣本切割并通過對(duì)退火進(jìn)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(jià)格昂貴且需要復(fù)雜的加工過程,例如受控?cái)D出后進(jìn)行紫外線處理。這些材料的價(jià)格約為每克2.50美元。相比之下,該項(xiàng)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(jī)進(jìn)行打印。這使得材料不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,而且易于實(shí)現(xiàn)低成本打印解決方案。

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)之一是開發(fā)具有局部可調(diào)機(jī)械性能的軟材料,同時(shí)采用一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于工業(yè)規(guī)?;闹圃旆椒?。Davidson認(rèn)為,這種設(shè)計(jì)先進(jìn)軟材料的方法可以在軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、假肢和高性能定制鞋底等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)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(xué)設(shè)備等應(yīng)用。


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