《Additive Manufacturing》微结构丝材堆叠直接3D打印功能性表面

来源： 奇遇科技

大连理工大学机械工程学院孙吉宁教授、张磊副教授团队在《Additive Manufacturing》上发表题为Direct 3D printing functional surfaces stacked with microstructured filaments的研究论文

以材料挤压为基础的增材制造技术具有成本低、产量高、材料相容性好等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。表面微结构赋予3d打印产品防污、防腐、减阻等先进功能。然而，在增材制造长丝的连续挤压过程中，直接获得表面微结构是一个挑战。尽管开发了各种旨在制造3D打印产品微结构表面的后处理和预处理策略，但它们无法在线调节微尺度形态，这往往需要额外的操作并降低制造效率。所以本研究提出了一种基于FDM在线3D打印策略的方法，可以直接制造微结构物体，无需复杂的后处理操作。利用微沟槽打印喷嘴挤出微结构的丝材，并通过调整打印参数和喷嘴内壁微沟槽的形状和尺寸来控制挤出丝材表面微结构的尺寸和形貌。还使用Bird-Carreau模型描述了聚合物熔体挤出过程中微结构的演变，并验证了该技术与传统FDM 3D打印技术的兼容性。使用该技术打印的表面具有各项异性润湿特性，提高了材料在不同方向上的水接触角差异。这种技术可以克服当前FDM 3D打印技术在制造先进功能产品方面的局限性，并为智能微流控器件、多功能组织工程支架和高性能传感器的制造提供了新思路。

图1FDM打印微结构表面示意图。

图2 打印参数和微沟槽尺寸对微结构高度的影响。

图3 微沟槽形状对挤出丝材表面微结构的影响。

图4 微结构丝材形貌。

研究结论
基于FDM方法，提出了一种用于功能微结构表面图形的在线3D打印策略μFDM。表面功能化是直接通过3D打印实现的，不需要任何额外的修改。通过使用微槽喷嘴，可以成功地生产出具有完全微化表面的组件。μFDM独特的加工能力为医疗保健、组织工程和其他基于液滴的应用提供了新的视角，这些应用的表面功能化和跨尺度加工能力至关重要。对于PLA长丝，与打印温度和喷嘴微槽长度相比，打印速度(可达100mm s)和喷嘴微槽深度对微脊的形成起着更重要的作用。通过调整打印喷嘴上微槽的横截面，可以灵活地控制微脊的几何形状。三角形、矩形和梯形微脊是在挤压长丝上形成的。总的来说，这些发现突出了μFDM作为一种功能化表面的通用技术的潜力，并证明了其与各种材料和喷嘴尺寸的兼容性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103900