DELFT研究员开发出用于自修复TPU（SH-TPU）的FDM打印工艺

摘要：近日，代尔夫特理工大学的研究人员已经开发出了一种在室温下使用熔融沉积建模（FDM）的3D打印自修复TPU（SH-TPU）的工艺。据报道，与3D打印的商用TPU相比，该研究中使用的SH-TPU显示出对打印条件的机械依赖性较小，并且在室温下还具有修复损伤的附加值。

aau讯（编辑 许乐）众所周知，自修复聚合物的3D打印旨在通过修复裂纹和划痕等损坏来延长产品寿命，并且还具有提高零件质量和耐用性的潜力。热塑性聚氨酯（TPU）的室温修复能力和良好的机械性能使其在自修复聚合物领域引起了广泛关注，但是在过去，修复主要是通过氢键实现的。

现在，代尔夫特理工大学的研究人员已经开发出了一种在室温下使用熔融沉积建模（FDM）的3D打印自修复TPU（SH-TPU）的工艺。据报道，与3D打印的商用TPU相比，该研究中使用的SH-TPU显示出对打印条件的机械依赖性较小，并且在室温下还具有修复损伤的附加值。

3D打印的SH-TPU样品：尺寸约为10×20×5 mm

3D打印自修复聚合物

在3D打印中，皮肤和肌腱等生物组织的自愈特性也很理想，通过将类似特征集成到柔性聚合物打印材料中的能力可能会为软机器人和消费电子产品的增材制造打开全新的领域。尽管迄今为止已经证明，通过3D打印实现这些所需的特性很困难，但该领域内的研究正在迅速增加。

但是，在成功打印出可以解锁且自我修复的可穿戴设备的虾类生物聚合物，以及开发3D打印的可自我修复的智能手机和计算机屏幕之后，这一研究取得了长足的进展。甚至有人预测，在未来的几十年内，改造自我修复的无人机和飞机将成为现实。

最近，南加州大学的研究人员开发了一种3D打印的橡胶材料，该材料能够自我修复，可以延长鞋子、轮胎、软机器人和电子产品的寿命，而拉马尔大学的一个研究团队则使用立体光刻（SLA）打印了具有自主自我修复功能的仙人掌结构。

在其他地方，台湾国立中央大学的科学家创造了一种抗紫外线且耐热的自修复乳胶玻璃，得克萨斯州农工大学与美国陆军研究实验室的合作见证了新型可回收、自修复聚合物的3D打印材料系列的开发。

3D打印样品在不同打印条件下的显微图像

使用FDM打印SH-TPU

在他们的研究中，代尔夫特理工大学的研究人员试图生产和机械测试一种使用FDM对低温SH-TPU进行3D打印的方法。首先，将SH-TPU合成为聚合物平板，然后加工成可3D打印的细丝，然后将其成功打印在改良的Ultimaker 2+上。用E3D Titan挤出机替换了机器的打印头，并安装了附加风扇，以帮助材料从喷嘴挤出后保持稳定。然后使用Ultimaker的CURA软件生成用于打印的G代码文件，以打印20x10x4mm的矩形块。

使用SH-TPU进行3D打印的样品在三种不同的打印头温度下打印：225、230和235摄氏度。根据目测，以230度打印的部件被认为拥有最好的质量。研究人员使用压缩切割测试评估了3D打印样品的机械性能，并且还通过创建受控切口以测试已修复样品的机械性能来观察它们的自我修复行为。

在愈合过程中，将切下的样品放在30摄氏度的烤箱中放置24小时。根据研究人员的说法，在研究过程中充分证明了SH-TPU能够完全治愈切穿损伤和恢复抗断裂性能的能力。

压缩切割测试期间的典型机械响应，包括描述每个负载位移区域的显微照片。

保持自我修复能力

研究人员表示，由于SH-TPU线材直径的巨大差异，导致打印过程中聚合物沉积不均匀，从而降低了打印质量。但是，他们认为可以进行优化，尽管如此，SH-TPU的空隙距离非常低，并且可以保持其完整的形状完整性。据科学家称，这表明自修复聚合物获得高质量3D打印零件的潜力，而不会明显检测到构成样品的细丝。

此外，SH-TPU在3D打印完成后完全保留了其自愈能力，并完全恢复了其机械性能。研究人员表示，基于挤出的3D打印自修复聚合物主要集中在水凝胶和基于可逆共价键的温度反应性聚合物的液相沉积建模（LDM）打印上。但是，由于SH-TPU的高熔体粘附性和粘度特性使其难以加工，因此很少关注在中等或接近室温下的SH-TPU的打印。

然而，正如研究人员所确定的那样，它们良好的愈合能力以及可生产的大量产品使其成为探索FDM打印自愈聚合物的良好候选者。

有关该研究的更多详细信息，请参见《自修复聚合物》杂志上发表的题为“通过FDM 3D打印自修复热塑性聚氨酯：从聚合物平板到机械评估”的论文。该论文由L.Ritzen、V.Montano和S.Garcia合著。

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