研究人员开发出控制喷墨3D打印材料性能的新方法

2024年1月29日，南极熊获悉，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员最近推出了一项创新的喷墨增材制造工艺，旨在确定材料特性。这项研究成果被合著者Robert MacCurdy和Lawrence Smith称为“属性潘通”，详细描述了多材料喷墨3D打印，如何通过组合不同树脂材料创造特定的材料属性。

△实验结果，颜色表示流体的体积分数。这些复合材料占据与生物材料相似的模量-韧性空间区域

与通过混合不同的原色可以创造出特定的颜色类似，这些研究成果概述了如何通过混合三种 "原色 "材料来实现可重复的3D打印材料特性。这些材料包括软弹性体、硬塑料和液体成分。

在研究中，研究人员运用定制软件设计了数百个数字复合材料样品。完成3D打印后，对样品进行了机械性能测试和表征。接下来，通过创建比较复合材料成分和机械性能的分析图，实现了所谓的“逆向材料设计”。

这一过程颠覆了传统的材料选择方式。通常情况下，工程师会寻找具有所需材料特性的合适材料，然后进行设计。相反，新的方法允许首先为零件指定所需的材料属性，然后再进行3D打印。

△该研究已在《先进材料》杂志上发表，题目为“通过增材制造数字多相复合材料”（传送门）

研究人员声称，这项研究首次描述了由三种具有不同机械性能的喷墨材料制成的数字材料复合材料的特性。因为之前的研究只评估了两种材料的复合材料，"缺乏机械真实性"。

这一过程的潜在应用非常广泛。研究人员强调，3D打印合成生物组织在机械上合理的潜在用例中具有重要意义。通过逆向材料设计方法，用户可以设计并3D打印具有精确模仿所需生物组织刚度和韧性组合的材料。

△测试具有规定刚度的样品

3D打印材料属性的潘通色卡

多材料喷墨3D打印机喷射光聚合物树脂液滴，然后由UV光源固化，形成3D物体。

3D打印机制造商Stratasys的Agilus和Vero喷墨3D打印树脂在固化后具有不同的特性。Agilus成为坚韧且柔韧的弹性体材料，而Vero则形成刚性塑料。这两种材料可以以不同的比例组合，形成具有不同性能的复合材料。然而，这些组合的性能可能性是有限的。

为了实现更大的材料性能自由度，科罗拉多大学的研究人员在复合材料设计过程中添加了第三种液体材料。研究期间，对110种独特的复合材料配方进行了188次测试。

通过使用3D打印零件进行实验观察和验证，研究人员表明，通过组合3种基材，可以独立决定弹性和韧性等机械性能。

使用冲压测试进行机械测试。3D打印的测试样品暴露在通过“冲压区域”降低的不锈钢销钉上。然后，该团队记录了样品的压痕距离和力，当材料失效时测试终止。该测试结果强调，弹性模量和韧性属性是解耦的，并且可以在3D打印过程中独立指定。更重要的是，该研究得出的结论是，使用这种方法可以解耦任何两种材料属性。这是通过在复合材料设计过程中添加第三种液体基材料来实现的。

△通过构建喷墨复合材料中多相成分的分布，可以实现四个数量级的模量值。该硬度范围涵盖多种生物组织

研究人员还演示了具有规定属性的3D打印物体的逆向设计。这是通过在微观尺度的复合材料成分和宏观材料属性之间创建映射来实现的。

通过分析模型和数学方程，研究人员成功地利用这些映射来准确估计各种结合了弹性体、刚性和液体树脂的喷墨复合材料的机械性能。

最终，研究人员认为这些发现在医学应用中具有巨大的潜力。

利用目前的方法，研究人员一直在努力获得反映生物组织的准确材料特性。该团队表示，这项研究的结果使得材料的刚度和韧性能够同时且独立地改变。这使得研究人员、设计师和医疗从业者能够3D打印逼真且机械上令人信服的合成生物组织。