“数字处理”+“3D打印”实现纤维素材料“该软软，该硬硬”

来源：高分子科学前沿

一般来说，我们日常用到的复合材料中的组分是均匀分布的，整体材料的性能是同一的。但是在有些情况下，人们常常希望同一件材料的不同位置具有不同的性质或功能，并且由于这样的差异，更适合所应用的场景。尤其是进入20世纪60年代，美苏竞争白热化，开始在航空工业角逐。为满足航空领域极为苛刻的使用环境，功能梯度材料(functionally gradient materials，FGM)应运而生。

功能梯度材料是由两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，具有特殊的结构特点和功能特性，可适应极端环境，满足有时是相互冲突的设计要求。但其在梯度连续性、界面键和性和取向自由度方面仍存在不足。此外，大多数制造功能梯度材料的设计软件都没有整合材料的梯度数据的能力，这一缺陷大大阻碍了对功能梯度材料的探索。

为了解决这一难题，德国斯图加特大学的A. Menges教授研究团队利用材料工程和数字处理相结合的方法，基于增材制造技术，赋予纤维素基的可调粘弹性材料连续的、高对比度的和多向的刚度梯度特性。同时研究团队将梯度信息嵌入设计模型之中，以多种方式实现刚度梯度。该研究成果以题为“Additive manufacturing of cellulose-based materials with continuous, multidirectional stiffness gradients”的论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上（见文后原文链接）。文章第一作者为P. A. G. S. Giachini。


如虎添翼：结合材料工程和数字处理的功能梯度材料的制造方法
研究人员展示了一种结合材料工程和数字处理，来创建梯度材料的制造方法。研究人员将粉末状的羟乙基纤维素(HEC)溶于水，并与添加剂在烧杯中混合，得到可调节粘弹性的纤维素衍生物基材，使控制挤压成为可能。研究人员设计了一种数字工作流程，将梯度信息嵌入到设计中，生成自定义的制造代码来控制3D打印机和注射泵，从而得到梯度功能材料。

图1所示：打印工艺原理图。

好马配好鞍：具有可调流变和机械性能的羟乙基纤维素
研究者选取了羟乙基纤维素(HEC)作为基材。HEC作为一种纤维素的衍生物，是食品和化妆品工业中的增稠和胶凝剂。研究发现HEC的凝胶点出现在96分钟处(图2A)，标志着其从溶液状态过渡到固体水凝胶状态。而在凝胶过程中，随着溶液粘度的增加，注射器泵持续顺畅的挤出也逐渐受到限制。因此，研究者进一步研究了挤出的时间窗口，发现HEC的分子量增大和HEC的含量降低能够延长成胶过程。另外，研究者使用柠檬酸将pH调到3.0时，能够最大限度延长凝胶点至大约216分钟 (图2B)。这无疑增加了HEC挤出后的一致性。

研究者还分析了添加剂对于打印材料的流变和机械性能的影响。木质素含量的增加增大了打印材料的刚度和抗拉强度，而柠檬酸的作用是相反的(图3A,B,C)。作者利用这两个作用相反的物质能够获得一系列不同力学性能的材料。改变打印溶液的粘度对实现刚度梯度同样重要。图3D显示了打印材料能够获得的粘度范围，以及在加工剪切速率为28.7 s−1时，HEC的受剪切减薄特性（黏度随着剪切速率或剪切应力的增大而减少的流动叫做剪切稀化流动(shear thinning flow)）影响的粘度值。

图2所示：印刷溶液的流变性能。

图3所示：调制印刷材料的机械和流变性能。

如臂驱使：从数字设计到工程制造
研究人员开发的工作流程允许用户将几何模型与梯度数据相结合，以创建功能梯度材料数据并生成制造代码(图4A)。这个工作流程基于三维建模软件Rhinoceros 3D内的可视化编程接口Grasshopper，使设计和制造之间无缝对接，允许用户在设计过程中利用制造参数包括沉积顺序、沉积速率、沉积比(通过(i)叠层、(ii)改变材料量、(iii)改变材料组成改变沉积比)来创建不同的梯度属性。

研究者设定程序改变打印材料的沉积顺序，如图4B所示，先沉积粘度低的，后沉积粘度高的，从而获得刚度梯度。研究者也可以通过改变沉积速率获得刚度梯度，而沉积速率(ml/mm)取决于注射器泵的挤出速率(ml/s)和打印机的喷嘴速度(mm/s)。研究者还可以通过改变材料的混合比例来产生梯度(图4D-G)。

图4所示：刚度梯度材料的设计制作流程。

刚度梯度引导变形过程
图6显示了如何使用刚度梯度来指导对象的变形。通过探索不同纤维素混合物的杨氏模量范围(图6A)，可以打印出具有相同横截面厚度的视觉上相似的样品，这些样品由于其独特的刚度梯度而表现出不同的变形行为和末端几何形状(图6B-E)。
研究人员认为这种刚度梯度材料对柔性机械和柔性机器人的发展有重要意义，它可以被用来创建在驱动力的作用下表现出复杂的变形行为和力的重新分布的物体。图6 (F-G)显示了使用不同加工策略的纤维素样品的变形情况，在外力作用下，样品变形取决于样品本身的刚度梯度。

图6所示：图案刚度梯度编程样品变形

小结
最后，研究者认为这项工作利用了材料工程和数字处理相结合的方法来控制材料的混合和沉积，使基于增材制造的可调粘弹性材料-羟乙基纤维素复合物具有连续的、高对比度的和多向的刚度梯度。同时，开发的工作流程允许将梯度信息嵌入到设计模型中，从而更好地分布材料，进行制造。

全文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/8/eaay0929.full