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3D打印新材料:基于3D打印纤维素的可变形凝胶

来源:原创

发布时间:2020-06-03 11:53:53

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aau讯(编辑 卢晶)据外媒报道,来自斯图加特州立大学、弗吉尼亚州立大学和伊斯坦布尔科克大学的一组研究人员于近日进行了具有多向刚度梯度的3D打印新材料的研究。通过将材料工程和数字处理的专业知识相结合,他们创造出几组具有不同机械和流变特性的纤维素材料,尽管这些材料具有相似的组成部分。然后将这些材料相互结合使用,将特定的变形轮廓编程为复杂的零件。



用于打印连续渐变的制造过程。图片来自斯图加特大学



功能分级材料


研究人员表示,功能梯度材料(FGM)具有逐渐变化的成分或结构,这种变化可以是连续的,也可以是阶梯式的。这种变化逐渐导致“特性梯度”,由此特定的一种或多种特性相对于组合物或结构而改变。在自然界中我们无时无刻不在大量的有机体中看到功能梯度材料。特定功能单元或材料类型的浓度和分布将对其所在位置的功能有很大影响。


据了解,在科学和工程领域,FGM可用于薄膜涂层、生物医学应用和建筑。正如本研究的结论一样,一类特定的FGM具有不同的刚度梯度。它们通常用于在界面处分配应力,在软执行器中编程变形轮廓并影响成分迁移速率。研究人员表示,FGM的制造确实面临挑战,因为当今的技术很难实现梯度连续性和方向自由度。


3D打印基于FGM的纤维素


据研究人员透露,为了开发一种具有连续、多向刚度梯度的可3D打印的调粘弹性材料的新方法,该团队选择了对环境友好的羟乙基纤维素(HEC)为基材。研究人员添加了柠檬酸,将水溶液变成固体水凝胶,这样利于挤压。他们还发现,木质素的加入显著提高了水凝胶的硬度和拉伸强度。木质素和柠檬酸的组合被用作添加剂,以实现一系列的机械性能,并打印了一系列样品部件,所有这些部件都具有不同程度的特性梯度。



FGM样品的设计制造流程。图片来自斯图加特大学



然后研究员据此生成了专门设计用于在每个零件中创建精确的刚度轮廓的自定义G代码。在仔细控制挤压的情况下,团队将梯度信息嵌入到零件的实际设计中。一旦打印,由于零件几何形状的刚度变化,样品可能会变形为独特的轮廓。最终,研究人员在每个样本中“编程”了一组所需的变形几何形状。



由于刚度变化而具有可编程变形的样品。图片来自斯图加特大学



据悉,该研究结果已发表在题为“ 具有连续多向刚度梯度的3D打印纤维素基材料 ”的论文中。该论文由PAGS Giachini、SS Gupta、W.Wang、D.Wood、M.Yunusa、E.Baharlou、M.Sitti和A.Menges合著。


据小编了解到,3D打印材料(尤其是与基于挤出的AM一起使用的材料)的研究一直在进行。今年早些时候,在斯洛伐克,研究人员为FFF 开发了一套新型的低成本混合材料。他们用膨胀的石墨和碳纤维增强了PETG材料的强度,以增强其机械和热性能,并将其称为“极强”。在希腊的其他地方,研究人员已经确定了回收利用的ABS材料对部件机械性能的影响。


【点评】3D打印材料决定3D打印产业兴盛与否的关键因素,而我国在这领域发展相对缓慢,缺乏原材料的使用标准和材料科研机构,所以3D打印行业在国内的发展慢于国外。若想发展3D打印技术需制定3D打印材料的相关标准,鼓励科研人员敢于创新、勇于创新,这样我国的3D打印才会发展的更好,进而提升制造业升级。





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