剛性還是彈性？通過3D打印改變特性的塑料材料

魔猴君  科技前沿   71天前

近年來，許多大學(xué)研究項(xiàng)目都集中在利用增材制造開發(fā)多功能材料。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)能夠再生器官或骨骼結(jié)構(gòu)的組織以及設(shè)計(jì)尖端的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備非常重要。與此同時(shí)，在其他領(lǐng)域，工作重點(diǎn)是創(chuàng)建新的3D打印架構(gòu)，提供廣泛的潛在應(yīng)用。

為了證明這一點(diǎn)，愛麗絲·弗格森（Alice Fergerson）和艾米麗·戴維森（Emily Davidson）領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓大學(xué)工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠適應(yīng)不同靈活性水平的塑料材料。這種材料由一類稱為TPE的聚合物組成，可以設(shè)計(jì)和制造剛性可調(diào)節(jié)的柔性3D打印結(jié)構(gòu)。通過3D打印，工程師能夠控制這種材料的物理特性，使織物能夠在一個(gè)方向上反復(fù)拉伸和彎曲，同時(shí)保持另一個(gè)方向的剛度。

塑料材質(zhì)的特性

普林斯頓大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)選擇的熱塑性彈性體是一種嵌段共聚物，可以在熔融時(shí)成型。當(dāng)它冷卻時(shí)，它會(huì)凝固形成彈性結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象可以通過由均聚物組成的共聚物內(nèi)部組分的行為來解釋，它們像油和水一樣分離而不是混合。研究人員利用這一特性創(chuàng)造了一種由分散在彈性基質(zhì)中的剛性圓柱體組成的材料，這種材料可以在保持其內(nèi)部特性的同時(shí)保持柔韌性。

這種塑料材料的剛性圓柱形結(jié)構(gòu)厚度為5至7納米，嵌入彈性聚合物基質(zhì)中。為了更好地理解這個(gè)尺度，這里有兩個(gè)比較：人類頭發(fā)的直徑約為90,000納米，而DNA螺旋的直徑約為1納米。研究人員還研究了如何使用打印速度和受控材料擠出來調(diào)節(jié)打印材料的物理性能。使用3D打印，圓柱體可以在納米水平上定向，從而創(chuàng)建一種提供局部剛度同時(shí)保持柔軟和彈性區(qū)域的材料。

其自我修復(fù)特性

該工藝最有趣的方面在于塑料的熱退火及其自愈特性。Alice Fergerson解釋說，熱退火顯著提高了打印后的材料性能。這個(gè)過程允許在實(shí)驗(yàn)室打印的物體可以重復(fù)使用多次，甚至在損壞時(shí)可以自我修復(fù)。為了證明這些自愈特性，研究人員切割了印刷材料的柔性樣本，并通過退火對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)他們的觀察，修復(fù)后的材料與原始材料沒有明顯差異。

戴維森指出，在其他情況下使用的類似材料非常昂貴，并且需要復(fù)雜的加工，例如受控?cái)D壓，然后進(jìn)行紫外線處理。這些材料的成本可達(dá)每克2.50美元左右。相比之下，該項(xiàng)目中使用的熱塑性彈性體每克成本僅為一便士左右，并且可以使用商業(yè)3D打印機(jī)進(jìn)行打印。這使得這種材料不僅經(jīng)濟(jì)，而且可用于低成本打印解決方案。

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)之一是開發(fā)具有局部可調(diào)機(jī)械性能的柔性材料，同時(shí)采用經(jīng)濟(jì)高效且易于擴(kuò)展的工業(yè)方法。Emily Davidson認(rèn)為，這種設(shè)計(jì)先進(jìn)軟材料的方法可以在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、假肢以及高性能定制鞋底。研究團(tuán)隊(duì)的下一步將是創(chuàng)建新的3D打印架構(gòu)，與可穿戴電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等應(yīng)用兼容。

編譯整理：3dnatives