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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(xué)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)

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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(xué)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(dǎo)電材料、有機半導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)性能和電學(xué)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)前沿,，介電彈性體離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）：IPMC是通過將離子交換膜（IEM）夾在兩個化學(xué)涂層的電極層之間而形成的復(fù)合材料,。當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)院計算機科學(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)?shù)脑O(shè)計。一旦一個給定的設(shè)計被選中,，科學(xué)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(xué)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,。

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而根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察,，廈門大學(xué)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(fù)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(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu),，填充液態(tài)金屬制備金屬導(dǎo)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(fù)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(xué)/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(fù)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(dǎo)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,。