《Nature》:哈佛大學開發了一種用于制造螺旋絲的旋轉多材料3D打印方法
時間：2023-01-20 10:59 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：螺旋結構在自然界中無處不在，這種結果可以具有獨特的機械性能和多功能性。到目前為止，螺旋結構的合成已經通過單獨長絲的纏繞、扭轉和編織、微流體、打印等方法制造出來。然而，這些制造方法無法同時從眾多的材料中創建多材料的螺旋結構長絲。
2023年1月19日，來自哈佛大學的研究人員開發了一種用于制造螺旋絲的旋轉多材料 3D 打印方法。使用這種新方法，該團隊設計并制造了人造肌肉和彈性網狀結構，可以用于軟機器等應用種。他們的研究已經發表在了《Nature》上，題目為《Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control》（《具有亞體素控制的旋轉式多材料打印長絲》）。
△將墨水通過一個復雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時打印多種材料。當噴嘴旋轉和平移時，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細絲。研究成果
●研究人員設計了一個旋轉多材料3D打印（RM-3DP）平臺，該平臺能夠對長絲的局部方向進行亞體素控制。
●通過連續旋轉多材料噴嘴，控制角速度與平移速度之比，能夠制造螺旋狀的長絲，其螺旋角、層厚度和幾個材料之間的界面面積都是可設置的。
●利用這種綜合方法，研究人員制造了由螺旋狀電介質彈性體致動器組成的功能性人工肌肉，該致動器具有高保真和可單獨尋址的導電螺旋通道，嵌入在電介質彈性體矩陣中。
●同時，研究者還制造了分層網狀結構，包括在順應性基質中含有剛性彈簧的結構化螺旋支桿。總而言之，這種增材制造平臺為開發多功能結構物質開辟了新途徑。
△打印頭由四個墨盒組成，每個墨盒可以包含不同的材料。
螺旋形電介質彈性體執行器
研究人員設計并打印了螺旋式電介質彈性體致動器（HDEA）長絲，該長絲具有離散的、可單獨處理的螺旋式導電通道，具有高螺旋角、薄層和高多材料界面面積，能夠嵌入電介質彈性體基體中。HDEA長絲包括由夾在兩個軟電極之間的軟質電介質彈性體膜組成的基本驅動單元。
有彈性的絲狀物和網狀物
為了生成結構性復合材料，研究人員打印了結構化的 "彈性 "長絲和由硬性和軟性亞體素組成的三維網狀結構。 彈性長絲是通過從一個扇形核心噴嘴共擠兩種粘彈性油墨來制造的，將堅硬的丙烯酸彈簧（藍色扇形特征）嵌入到柔軟的丙烯酸基質（透明扇形核心特征）中。
總結：
研究人員開發了一種旋轉式多材料3D打印方法，能夠對多材料功能和結構絲的方位異質特征的局部方向進行可編程的亞體素控制，可以在一維、二維和三維圖案中進行設計。 通過進一步調整噴嘴的內部特征，這些結構的分辨率、復雜性和性能可以從亞體素尺度到宏觀尺度得到進一步提高。
2023年1月19日，來自哈佛大學的研究人員開發了一種用于制造螺旋絲的旋轉多材料 3D 打印方法。使用這種新方法，該團隊設計并制造了人造肌肉和彈性網狀結構，可以用于軟機器等應用種。他們的研究已經發表在了《Nature》上，題目為《Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control》（《具有亞體素控制的旋轉式多材料打印長絲》）。
△將墨水通過一個復雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時打印多種材料。當噴嘴旋轉和平移時，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細絲。研究成果
●研究人員設計了一個旋轉多材料3D打印（RM-3DP）平臺，該平臺能夠對長絲的局部方向進行亞體素控制。
●通過連續旋轉多材料噴嘴，控制角速度與平移速度之比，能夠制造螺旋狀的長絲，其螺旋角、層厚度和幾個材料之間的界面面積都是可設置的。
●利用這種綜合方法，研究人員制造了由螺旋狀電介質彈性體致動器組成的功能性人工肌肉，該致動器具有高保真和可單獨尋址的導電螺旋通道，嵌入在電介質彈性體矩陣中。
●同時，研究者還制造了分層網狀結構，包括在順應性基質中含有剛性彈簧的結構化螺旋支桿。總而言之，這種增材制造平臺為開發多功能結構物質開辟了新途徑。
△打印頭由四個墨盒組成，每個墨盒可以包含不同的材料。
螺旋形電介質彈性體執行器
研究人員設計并打印了螺旋式電介質彈性體致動器（HDEA）長絲，該長絲具有離散的、可單獨處理的螺旋式導電通道，具有高螺旋角、薄層和高多材料界面面積，能夠嵌入電介質彈性體基體中。HDEA長絲包括由夾在兩個軟電極之間的軟質電介質彈性體膜組成的基本驅動單元。
有彈性的絲狀物和網狀物
為了生成結構性復合材料，研究人員打印了結構化的 "彈性 "長絲和由硬性和軟性亞體素組成的三維網狀結構。 彈性長絲是通過從一個扇形核心噴嘴共擠兩種粘彈性油墨來制造的，將堅硬的丙烯酸彈簧（藍色扇形特征）嵌入到柔軟的丙烯酸基質（透明扇形核心特征）中。
總結：
研究人員開發了一種旋轉式多材料3D打印方法，能夠對多材料功能和結構絲的方位異質特征的局部方向進行可編程的亞體素控制，可以在一維、二維和三維圖案中進行設計。 通過進一步調整噴嘴的內部特征，這些結構的分辨率、復雜性和性能可以從亞體素尺度到宏觀尺度得到進一步提高。
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