旋转多材料3D打印异质螺旋结构

来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会
供稿人：白路歌 王玲
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

螺旋结构在自然界中普遍存在，并具备独特的机械性能和多功能性。例如，肌动蛋白和原肌凝蛋白在骨骼肌细丝中的螺旋状组装导致了骨骼肌的高收缩力和特异性工作能力，植物的嗅觉运动源于植物细胞壁内螺旋排列的刚性纤维素纤维。目前制造螺旋结构的方式有缠绕、扭曲和编织单个细丝、微流体、自成型和打印等方法，然而，这些方法无法实现局部可编程的多材料螺旋结构的制造。

哈佛大学Lewis团队开发了一个旋转多材料3D打印（RM-3DP）平台，通过控制多材料喷嘴转动角速度与平动速度的比值，创建了具有可编程螺旋角、层厚度和多材料界面面积的螺旋细丝。研究者通过将打印喷嘴与电机耦合实现了喷嘴以角速度ω的自由旋转（图1a）。打印喷嘴具有“壳-扇-芯”几何结构，其中“扇”层设计了异质结构（图1b）。在打印螺旋结构的细丝时，喷嘴旋转的角速度与平动速度之比ω/v决定了螺旋结构的理论螺旋角φ (r) = tan−1(rω/v)，其中r代表径向位置 (r = 0为喷头中心)。改变打印头和平动方向的夹角可进行原型打印（图1d）、倾斜打印（图1e）和垂直打印（图1f）三种构型的打印。为了使垂直打印的细丝具有机械稳定性，打印头配备了紫外线灯，以便在材料挤出过程中将其固化。

图1 可编程亚体素结构控制的旋转多材料3D打印

研究者以粘弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）墨水为例，研究了打印构型、喷头角速度ω、接收距离 h和材料挤出流量Q对打印的细丝和其中的亚体素几何形状的影响（图2a）。在原型打印时，h和ω的高值导致细丝变成非圆柱形或偏离打印路径，在亚体素水平上，高ω和低h时亚体素显示出翘曲的螺旋结构，这种翘曲效应在倾斜打印时显著减少，倾斜打印的h*= 1时观察到最佳的长丝和亚体素几何形状。为了进一步证明对亚体素化细丝的方向进行局部编程的能力，研究者打印了具有ω梯度、ω开关和交替手性的一维（1D）细丝（图2b），并使用螺旋打印路径分别进行了无螺旋结构 （图2d (i)）、分层螺旋结构（图2d (ii)）和外部保持蓝色材料痕迹的结构（图2d (iii)）。

图2 旋转多材料3D打印跨尺度复杂几何图形

研究者通过RM-3DP平台实现了任意1D、2D和3D图案的合成多材料螺旋细丝的可编程制造，并在后续制造了有高保真度的螺旋介电弹性体驱动器和嵌入介电弹性体基质中的可单独寻址的导电螺旋通道组成的功能性人造肌肉，为制造多功能材料的复杂仿生结构开辟了新的途径。

参考文献：
Larson N M, Mueller J, Chortos A, et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control[J]. Nature, 2023: 1-7.