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bvty寶威VIP：（三）金屬與塑料 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)

文章作者：yebuyugz9B 人氣：發(fā)表時間：2024-09-28 19:31:40

目前，塑料的AM-增材制造加工已被廣泛研究，因為加工溫度低且加工條件比金屬更易于管理，塑料3D打印被應(yīng)用于醫(yī)療、汽車和航空航天工業(yè)。

在各種塑料中，PLA作為長絲材料得到了AM-增材制造技術(shù)的廣泛研究和應(yīng)用。FDM 技術(shù)的低工作溫度使得能夠使用具有低熔化溫度的材料，考慮到 PLA 具有金屬機械強度的優(yōu)勢，金屬塑料多材料AM-增材制造工藝已被用于仿生軟機器人制造。

本期，結(jié)合論文《Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials》，3D科學谷將分享多材料和蜂窩超材料的3D打印金屬和塑料多材料的設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)。

bvty寶威VIP：（三）金屬與塑料 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)(圖2)

bvty寶威VIP：（三）金屬與塑料 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)(圖3)

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X

廣闊的應(yīng)用前景

根據(jù)高分子科學前沿發(fā)表的《冷勁松院士團隊: 4D打印可編程超材料分形與可調(diào)節(jié)的疏水性能研究》一文，利用有機導電材料、有機半導體和儲能材料的可拉伸性能開發(fā)柔性電子器件是實現(xiàn)電子器件延展性和柔性的主要策略之一。然而由于有機導體的電子遷移率較低，其制備的電子器件的性能將大大受限。通過力學結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料的應(yīng)用實現(xiàn)兼?zhèn)淇勺冃魏透咝阅軆纱髢?yōu)點的可延展柔性結(jié)構(gòu)及電子器件在柔性顯示、電子皮膚、軟體機器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士課題組受分形幾何概念啟發(fā)，將含多級微結(jié)構(gòu)的彎曲韌帶引入超材料中并結(jié)合4D打印技術(shù)，制備了具有力學性能（非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為、泊松比）可調(diào)節(jié)、可編程和可重構(gòu)的拉脹力學超材料。研究團隊將受荷葉表面超疏水微結(jié)構(gòu)啟發(fā)的含柱狀微結(jié)構(gòu)表面的電極膜與4D打印分形超材料骨架，集成為多層結(jié)構(gòu)的柔性形狀記憶可重構(gòu)電容式壓力傳感器。其具備力學性能和電學性能可重構(gòu)性的同時實現(xiàn)了高靈敏度以及對檢測位點的高順應(yīng)性。經(jīng)實驗證實，相比平面電極其信噪比(SNR)和靈敏度(S)分別實現(xiàn)了≈10倍和≈4倍的提升。突破了柔性傳感器性能在制造后不能隨環(huán)境變化或功能需求調(diào)節(jié)的局限。為適應(yīng)被檢測組織、皮膚和器官的力學性能的多樣性需求，提供了解決方案，在植入式醫(yī)療設(shè)備、可穿戴電子設(shè)備、人機交互、軟機器人等領(lǐng)域有良好的科研價值和廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)高分子科學前沿發(fā)表的《AM》綜述：用于生物啟發(fā)軟機器人的材料、致動器和傳感器〉一文，軟機器人系統(tǒng)的開發(fā)中已經(jīng)使用了多種材料。研究人員已經(jīng)使用的生物材料，例如肌肉組織和植物纖維；碳基材料如石墨和石墨烯氧化物（GO）和碳納米管（CN）；水凝膠材料如聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）；液晶彈性體（LCE）；介電彈性體（DE）和離子聚合物金屬復合材料（IPMC）生產(chǎn)軟仿生致動器和傳感器。

其中，根據(jù)高分子科學前沿，介電彈性體離子聚合物-金屬復合材料（IPMC）：IPMC是通過將離子交換膜（IEM）夾在兩個化學涂層的電極層之間而形成的復合材料。當電流流過電極和IEM時，由于IEM中電解質(zhì)分子的不飽和飽和度導致的溶脹，材料會變形。即電解質(zhì)（最常見的是水）分子被吸引到IPMC的陽離子側(cè)，從而導致聚合物網(wǎng)絡(luò)在陰極附近發(fā)生親水性膨脹，在陽極附近發(fā)生收縮。結(jié)果為材料彎曲。

離子聚合物-金屬復合材料【生物啟發(fā)式軟致動器】致動器是機器人系統(tǒng)的主要部件之一，廣泛的刺激響應(yīng)和多樣化的功能使生物驅(qū)動系統(tǒng)成為開發(fā)人工驅(qū)動器的誘人靈感來源。關(guān)于引入到軟仿生技術(shù)眾多的智能材料，根據(jù)高分子科學前沿，已經(jīng)報道了各種各樣的刺激響應(yīng)致動器。這些刺激是水，pH，熱，光，磁，電以及上述那些的組合。

材料的比例與融合

根據(jù)3D科學谷，毫無疑問，3D打印技術(shù)最有前途的一個新方向之一是多材料3D打印。然而，如何定義零件在不同的部位用什么樣的材料，不同的零件之間如何連接，材料的定義如何與要實現(xiàn)的功能結(jié)合起來，這是多材料打印的難題。

bvty寶威VIP：（三）金屬與塑料 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)(圖4)

多材料的一般分類

? 3D科學谷白皮書

如何定義零件在不同的部位用什么樣的材料，不同的零件之間如何連接，材料的定義如何與要實現(xiàn)的功能結(jié)合起來，這是多材料打印的難題。在這方面，麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室（CSAIL）于2016年就在多材料打印領(lǐng)域取得了巨大進步，他們開發(fā)了名為Foundry的面向多材料設(shè)計的軟件，使得多材料3D打印更容易、更精確的。

哈佛大學也在軟件領(lǐng)域為多材料的3D打印提供了可行性，哈佛大學的研究人員能夠量化材料彎曲的各種不同的方式，并計算這樣的運動會如何影響像剛度這樣的特性。他們現(xiàn)在可以使用他們的數(shù)字框架快速循環(huán)幾百萬種不同的圖案，讓電腦通過理想的屬性設(shè)置給定一個恰當?shù)脑O(shè)計。一旦一個給定的設(shè)計被選中，科學家們能夠使用多材料3D打印機以及激光切割紙板、雙面膠帶等材料組合來創(chuàng)造超材料的原型。

國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學重慶研究院先進陶瓷及智能制造研究中心的科研團隊在柔性機器人3D打印上取得了突破，通過新型納米懸浮液的定向排列，已實現(xiàn)3D打印成型特性上的各項異性，成功實現(xiàn)了微米級高精密電路的快速3D打印制造，大幅度提升了電路成型精度和效率，有望應(yīng)用在微波通訊天線等領(lǐng)域。

bvty寶威VIP：（三）金屬與塑料 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)(圖5)

而根據(jù)3D科學谷的市場觀察，廈門大學孫道恒教授團隊提出“微尺度3D打印+液態(tài)金屬填充”方法，突破了多材料(聚合物-金屬)、跨尺度(μm~cm)、共形、結(jié)構(gòu)-功能一體化微結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)，為富含這類共性特征器件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能創(chuàng)新及應(yīng)用創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。以3D復雜電磁超材料為對象驗證了工藝的魯棒性及有效性，通過優(yōu)化液態(tài)金屬填充流道布局及表面后處理工藝提升了超材料器件的傳輸性能。研究團隊采用高精度光固化3D打印含有超材料微結(jié)構(gòu)空腔的復雜宏觀結(jié)構(gòu)，填充液態(tài)金屬制備金屬導電超材料微結(jié)構(gòu)。該研究將3D打印的靈活性與液態(tài)金屬的易流動、易填充性相結(jié)合，開辟了一類復雜微結(jié)構(gòu)制造新方法，為結(jié)構(gòu)-功能一體化柔性電子、軟體機器人、天線等富含多材料、跨尺度結(jié)構(gòu)的制造奠定了基礎(chǔ)，也為拓展超材料應(yīng)用范圍(如3D光學/電磁隱身衣、智能蒙皮、超透鏡等)提供了新的解決方案。

材料的比例與反應(yīng)

然而，不夠低的工藝溫度無法在金屬和塑料之間形成牢固的結(jié)合。研究人員曾使用 FDM 方法研究了 Cu 增強 PLA 的3D打印bvty寶威VIP。在添加 25 wt% Cu 后，Cu-PLA 復合材料表現(xiàn)出最合適的機械性能，并暗示隨著金屬填料含量的調(diào)整可能會改變性能。

另有研究使用馬氏體時效鋼作為 PLA 的填料，以在通過擠壓 AM-增材制造方法制造的多材料中誘導磁性功能。在使用 15 wt% 的塑料將金屬比例增加到 85 wt% 后，用青銅-PLA 長絲3D打印的產(chǎn)品在燒結(jié)后表現(xiàn)出大約 20% 的收縮和顯著的孔隙率。

金屬-塑料結(jié)合和表面質(zhì)量差是一個重大問題。然而，金屬-塑料界面通過互鎖設(shè)計則表現(xiàn)出可靠的強度，表明塑料充分滲透到宏觀設(shè)計和微觀機械結(jié)構(gòu)中。