3D打印材料也有“三原色”？可以创造特定的材料属性

        2024年1月，来自科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种确定喷墨增材制造中材料特性的新工艺。   这些研究结果被研究者 Robert MacCurdy 和 Lawrence Smith 称为“pantone for properties(属性潘通)”，概述了多材料喷墨 3D 打印如何通过组合不同的树脂材料来创造特定的材料属性。研究内容已经发表在了期刊《Advanced Materials》上，题目为《Digital Multiphase Composites via Additive Manufacturing》



     与通过混合不同原色来创建特定颜色类似，研究者阐述了如何通过混合三种“原色”材料来实现可重复的 3D 打印材料属性。这些材料包括软弹性体、硬塑料和液体成分。   在研究中，研究人员使用定制软件设计了数百个数字复合材料样品。3D 打印完成后，将样品的机械性能进行测试和表征。然后创建比较复合材料成分和机械性能的分析图，从而实现“逆向材料设计”。     
      这个过程逆转了传统的材料选择过程。通常，工程师会寻找具有所需材料特性的合适材料，然后根据该材料进行设计。相反，新方法可以首先为零件指定一组所需的材料属性，然后进行 3D 打印。   作者表示这项研究首次表征了由三种具有不同机械性能的喷墨材料制成的数字材料复合材料。之前的研究只评估了两种材料的复合材料，“达不到机械真实感”。   
       该过程的潜在应用是多种多样的。研究人员强调，3D 打印机械上合理的合成生物组织是一种潜在的用例。利用逆向材料设计方法，用户可以设计并3D打印具有精确模仿生物组织所需的任意刚度和韧性组合的材料。


△实验结果，颜色表示流体的体积分数。这些复合材料占据与生物材料相似的模量-韧性空间区域

3D打印材料属性的“潘通色卡”

多材料喷墨 3D 打印机喷射光聚合物树脂液滴，然后由 UV 光源固化，形成 3D 物体。 3D 打印机制造商 Stratasys 的Agilus和Vero喷墨3D打印树脂在固化后具有不同的性能。Agilus 成为坚韧且柔韧的弹性体材料，而 Vero 则形成刚性塑料。这两种材料可以以不同的比例组合，形成具有不同性能的复合材料。然而，这些组合的性能可能性是有限的。  

为了实现更大的材料性能自由度，科罗拉多大学的研究人员在复合材料设计过程中添加了第三种液体材料。研究期间，对 110 种独特的复合材料配方进行了 188 次测试。 通过使用 3D 打印零件进行实验观察和验证，研究人员表明，通过组合 3 种基材，可以独立决定弹性和韧性等机械性能。   

研究人员使用冲压测试进行机械测试，团队记录了3D打印的样品压痕距离和受力，当材料失效时测试终止。   


△测试具有规定刚度的样品

该测试结果强调，弹性模量和韧性属性是解耦的，并且可以在 3D 打印过程中独立指定。更重要的是，该研究得出的结论是，使用这种方法可以解耦任何两种材料属性。这是通过在复合材料设计过程中添加第三种液体基材料来实现的。   研究人员还演示了具有规定属性的 3D 打印物体的逆向设计，通过在微观尺度的复合材料成分和宏观材料属性之间创建映射来实现。   

通过分析模型和数学方程，研究人员成功地利用这些映射来准确估计各种结合了弹性体、刚性和液体树脂的喷墨复合材料的机械性能。最终，研究人员认为这些发现在医学应用中具有巨大的潜力。

利用目前的方法，研究人员一直在努力获得反映生物组织的准确材料特性。据说这项研究的结果使得材料的刚度和韧性能够同时且独立地改变，使得研究人员、设计师和医疗从业者能够 3D 打印逼真且机械上令人信服的合成生物组织。     


△通过构建喷墨复合材料中多相成分的分布，可以实现四个数量级的硬度值

喷墨3D打印研究
      MacCurdy 和 Lawrence 的研究并不是第一个探索多材料喷墨 3D 打印在医疗应用中的潜力的研究。来自麻省理工学院媒体实验室、哈佛大学维斯研究所和丹纳法伯癌症研究所的研究人员开发了一种 3D 打印混合生命材料的方法。 该团队称为混合活性材料 (HLM) 制造平台，使用 多材料喷墨 3D 打印和定制材料配方来结合树脂和化学信号。这些信号激活生物工程微生物的反应，为具有治疗剂的医疗设备提供了潜力。
      在这项研究中，研究人员将合适的支撑树脂与结构树脂材料相结合，制成 3D 打印部件，这些部件具有吸收性并保留化学信号以控制生物体的行为。HLM 平台可以利用三到七种具有不同特性的不同树脂，以一定比例与合成生物材料混合。      
      Martin Luther University Halle-Wittenberg( 哈雷-维滕贝格马丁路德大学)的一个团队开发了一种混合增材制造工艺，将挤出和喷墨 3D 打印相结合。 这种方法使液体墨水能够直接集成到固体材料基体中。其一个关键应用是在初始制造阶段将活性医疗成分集成到3D 打印药物输送设备中。