首尔国立大学开发多材料FDM 3D打印新技术，实现精准材料成分和分布控制

2024年5月31日，南极熊获悉，首尔国立大学的研究人员为FDM 3D打印技术开发出了一种新的两步工艺，可以制造出具有特定梯度材料特性的零件。这种新工艺生产出的部件在性能上具有显著的差异。例如，机械强度、导电性和颜色可以以传统FDM 3D打印无法实现的方式结合在一起。

△使用DM长丝进行b-FDM 3D打印示意图

技术研发背景

通常情况下，用户无法在FDM 3D打印中实现对材料成分的精确空间控制。这是因为FDM喷嘴一次只能挤出一根长丝。

为了克服这一难题，研究小组通过逐层沉积不同的基础材料，3D打印出了一种“数字材料”（DM）。当挤出这种长丝时，这些材料在通过喷嘴时会均匀混合，从而在最终部件中形成所需的功能材料梯度。

△该研究已发表在《自然通讯》杂志，题目为“使用3D打印数字材料丝进行3D打印，实现功能梯度编程”（传送门）

这种新方法被称为混合FDM（b-FDM），可以使用标准的FDM 3D打印机和长丝来实现，为生产功能梯度材料（FGM）提供了一种低成本、易获得的方法。

据研究人员介绍，“支持b-FDM的材料梯度编程可以实现无缝多材料3D打印，并促进不同材料之间通过机械上不可见的材料界面进行牢固结合。”

他们补充说，这一工艺“为充分发挥FGM在各种工程应用中的潜力提供了一条新途径”。

△具有可调和多功能特性的b-FDM打印数字材料

利用b-FDM 3D打印出混合材料

研究人员采用新的b-FDM方法，将具有不同特性的多种材料3D打印到一根长丝中，从而实现了对材料成分和分布的精确控制。

长丝的3D打印层厚为125微米，由14层挤出材料组成。每层由2至4条3D打印线或挤出物组成，宽度为440微米。在整个3D打印过程中，原料都是人工更换的，将不同的颜色、强度、拉伸性和导电性能结合到最终的长丝中。   

据首尔国立大学团队介绍，任何市售的FDM 3D打印机和材料都可以用来制造DM长丝。它的3D打印直径为 1.75 毫米，与所有FDM系统兼容。

在这项研究中，DM长丝是使用3D打印机制造商Prusa Research的Original Prusa i3 MK3S进行3D打印的。这台FDM 3D打印成型机配备了直径为0.4毫米的喷嘴和直径为1.75毫米的原料入口。通过将3D打印床加热到70℃，并在220℃和240℃之间切换喷嘴温度，实现了良好的附着力。   

然后使用i3 MK3S将DM长丝3D打印成几个测试部件。在这里，喷嘴被设置为240℃的最高温度，以确保足够的材料供应。  

△多材料、多功能折纸夹持器的示意图

具有梯度材料特性的3D打印部件

研究人员首先将导电聚乳酸（CPLA）与柔软而有弹性的热塑性聚氨酯（TPU）结合起来进行测试。CPLA是一种硬而脆的材料，由于含有炭黑 (CB) 纳米颗粒而具有导电性。

通过b-FDM方法将这两种材料结合在一起，该团队成功地3D打印出了具有柔韧性和导电性的部件。在测试了不同的材料配方后，他们将分数应变提高了168%，在应变高达69%的情况下仍能保持导电性。这种DM长丝的潜在应用包括可拉伸传感应用和可穿戴电子设备。

研究小组还强调，b-FDM可以在3D打印部件中产生不同的颜色梯度。因此，DM长丝提供了一种经济高效的解决方案，只需要一小部分标准长丝就可以制造出很多不同颜色的物体。在这项研究中，由四种基础材料组成的单一DM长丝被用来3D打印出具有36种不同颜色的物体。

为了展示b-FDM方法的价值，研究人人员还3D打印了一个多功能、可折叠的折纸夹持器。该组件包含刚性切面、软铰链和集成电子元件，包括弯曲和触觉传感器。整个装置使用单根DM长丝在一次3D打印作业中制作完成。

b-FDM 3D打印折纸夹持器沿着折痕呈现出清晰的折叠，并成功抓取物体，没有出现机械故障。相反，传统的FDM 3D打印折纸夹持器一经折叠就会出现严重的分层现象。

据研究人员称，这些结果凸显了b-FDM打印通过材料梯度设计将各种所需功能有效融入工程系统的能力。展望未来，他们相信b-FDM方法将成为现有商用FDM 3D打印机的强大补充。希望这一工艺能够更广泛的推动3D打印技术的发展。