原位混合加工，拉夫堡大学研究人员开发新型丙酮驱动4D打印技术——MaTrEx-AM

导读：2021年10月13日，南极熊获悉，拉夫堡大学的研究人员开发了一种新型混合3D打印技术。这项新技术能够随着时间的推移改变打印部件的属性，从而实现一种新形式的4D打印。

这项新方法被命名为材料处理挤压增材制造（MaTrEx-AM），它将传统的基于挤压的3D打印与化学处理相结合。具体来讲，它是利用有机化学品丙酮使3D打印物体中的目标层更加耐用。通过丙酮的分布和层层之间的反应程度，可以使3D打印部件具有可修改的机械性能，帮助用户控制它们在负载下的变形方式。

增材制造高级讲师、该研究的共同作者Andy Gleadall博士说："新工艺对大量的零件和结构都具有潜在的价值，但最明显的可能是在操作过程中会变形的零件，而它们变形的方式需要控制。机械性能的时间依赖性意味着该方法为材料能力增加了一个新的维度，原位混合加工促进了真正的4D打印过程。"

△拉夫堡大学校园

丙酮和3D打印

丙酮是一种常见的溶剂，从去除指甲油的产品到汽油和油脂切割器都有使用。在3D打印行业中，这种化合物被用作表面处理剂，因为它可以溶解ABS等聚合物，使用户能够平滑地覆盖层线，使其不可见。MaTrEx-AM工艺将这一概念向前推进了一步，在层与层之间使用丙酮原位反应，而不是在打印部件的外部。

但是，丙酮是如何改变这些打印层的机械性能的？答案就在于传统的FDM三维打印机是如何挤出长丝的。由于FDM系统是将熔化的长丝从一个圆形的喷嘴中注入，产生的轨道是圆柱形的。这导致轨道之间的接触面积相对较小，导致层间结合不足，最终导致部件变得脆弱。

Gleadall解释说："这个过程是逐层添加材料，层与层之间有凹槽，有点像你把很多木头侧着堆在一起，全部排成一排。3D打印的部件通常很薄弱，因为层的铺设方式是依次进行的，所以层与层之间有几何缺陷，层与层之间的材料结合可能不如纯聚合物好。"

通过在这些圆柱形轨道上涂抹丙酮，有可能将它们融化在一起，以达到更好的融合。这增加了接触面积和结合强度，通过选择性地应用丙酮，产生了可控的机械性能以及和可编程的变形曲线。

△丙酮抚平ASA制成的3D打印“猫头鹰”模型。照片来自Prusa。

头盔衬垫和生物医学植入物应用

Gleadall的团队发现，他们可以通过应用丙酮将PLA和ABS部件的可塑性提高到25-和16倍，增加了处理区域的韧性。然而，从长远来看，这些部件的机械性能最多可恢复到其原始值的90%，这就是4D的作用所在。ABS的这种恢复发生在三个小时之内，而PLA的试样则需要60天才能恢复。重要的是，即使在打印部件恢复其属性后，在这段时间内所产生的任何几何变化都被保留下来。

根据拉夫堡团队的说法，MaTrEx-AM在现实世界中的应用包括用于抗冲击头盔衬垫的4D晶格结构，以及随着病人的解剖结构而变形的动态生物医学植入物。

这项研究的更多细节可在题为“MaTrEx AM: A new hybrid additive manufacturing process to selectively control mechanical properties”的论文中找到。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421004954

△MaTrEx-AM及其对3D打印聚合物部件的影响。图片来自拉夫堡大学。

在学术领域，4D打印已被证明是一个伟大的工具，如医疗设备和软机器人的应用。来自弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员最近开发了一种新颖的4D打印方法，即根据病人的解剖结构进行自我调整的可穿戴手腕夹板。受空气马铃薯植物（Dioscoreabulbifera）繁殖机制的启发，该打印系统可以预先编程，以便在接触到水分时进行复杂的运动。

在国内，天津大学的科学家们最近4D打印了一个能够自行漫游的自我推进的软体机器人。这个管状机器人是由一种叫做液晶弹性体的材料制成的，当接触到热量时，它可以自我组装。该设备巧妙地利用了编程的折叠模式，在自己的身体内引起应变，这使它能够像木头一样翻滚。