剛性還是彈性？通過3D打印改變特性的塑料材料
近年來，許多大學研究項目都集中在利用增材制造開發(fā)多功能材料。例如，在醫(yī)學領域，開發(fā)能夠再生器官或骨骼結構的組織以及設計尖端的生物醫(yī)學設備非常重要。與此同時，在其他領域，工作重點是創(chuàng)建新的3D打印架構，提供廣泛的潛在應用。
為了證明這一點，愛麗絲·弗格森（Alice Fergerson）和艾米麗·戴維森（Emily Davidson）領導的普林斯頓大學工程師團隊開發(fā)了一種能夠適應不同靈活性水平的塑料材料。這種材料由一類稱為TPE的聚合物組成，可以設計和制造剛性可調節(jié)的柔性3D打印結構。通過3D打印，工程師能夠控制這種材料的物理特性，使織物能夠在一個方向上反復拉伸和彎曲，同時保持另一個方向的剛度。
塑料材質的特性
普林斯頓大學工程團隊選擇的熱塑性彈性體是一種嵌段共聚物，可以在熔融時成型。當它冷卻時，它會凝固形成彈性結構。這種現象可以通過由均聚物組成的共聚物內部組分的行為來解釋，它們像油和水一樣分離而不是混合。研究人員利用這一特性創(chuàng)造了一種由分散在彈性基質中的剛性圓柱體組成的材料，這種材料可以在保持其內部特性的同時保持柔韌性。
這種塑料材料的剛性圓柱形結構厚度為5至7納米，嵌入彈性聚合物基質中。為了更好地理解這個尺度，這里有兩個比較：人類頭發(fā)的直徑約為90,000納米，而DNA螺旋的直徑約為1納米。研究人員還研究了如何使用打印速度和受控材料擠出來調節(jié)打印材料的物理性能。使用3D打印，圓柱體可以在納米水平上定向，從而創(chuàng)建一種提供局部剛度同時保持柔軟和彈性區(qū)域的材料。
其自我修復特性
該工藝最有趣的方面在于塑料的熱退火及其自愈特性。Alice Fergerson解釋說，熱退火顯著提高了打印后的材料性能。這個過程允許在實驗室打印的物體可以重復使用多次，甚至在損壞時可以自我修復。為了證明這些自愈特性，研究人員切割了印刷材料的柔性樣本，并通過退火對其進行修復。根據他們的觀察，修復后的材料與原始材料沒有明顯差異。
戴維森指出，在其他情況下使用的類似材料非常昂貴，并且需要復雜的加工，例如受控擠壓，然后進行紫外線處理。這些材料的成本可達每克2.50美元左右。相比之下，該項目中使用的熱塑性彈性體每克成本僅為一便士左右，并且可以使用商業(yè)3D打印機進行打印。這使得這種材料不僅經濟，而且可用于低成本打印解決方案。
該項目的主要目標之一是開發(fā)具有局部可調機械性能的柔性材料，同時采用經濟高效且易于擴展的工業(yè)方法。Emily Davidson認為，這種設計先進軟材料的方法可以在各個領域得到應用，例如軟機器人、醫(yī)療設備、假肢以及高性能定制鞋底。研究團隊的下一步將是創(chuàng)建新的3D打印架構，與可穿戴電子產品和生物醫(yī)學設備等應用兼容。
編譯整理：3dnatives
(責任編輯：admin)
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