4D打印:增材制造的未来

研究人员拉夫堡大学使用丙酮在“3D印刷”材料中加强聚合物。他们称为其方法“材料处理挤出添加剂制造（MISTEX-AM）”，一种添加剂制造中使用的流行材料挤出方法的杂交。

这个过程是一层一层地添加材料——在层与层之间有凹槽，有点像你看到的，如果你把许多木头并排堆放在一起。

Andy Gleadall博士，拉夫堡大学高级讲师

本研究首次证明了挤压生产的聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)如何通过浸入丙酮来调整其机械和几何性能。制造和化学处理的结合是一个混合过程，以时间控制的方式改变机械性能。

随着“3D打印”额外时间维度的引入，这为增材制造打开了令人兴奋的可能性。

添加剂制造的快速底漆（3D打印）

在加性制造中，还借助计算机辅助设计（CAD）软件设计了3D打印 - 对象。该软件将物体数字切成层。然后，软件引导一个机械喷嘴，该机械喷嘴将材料层逐层沉积到“印刷”的3D对象中。以这种方式，可以形成精确的几何形状。

顾名思义，在增材制造中，将材料添加到连续的层中来创建对象。这与传统制造或减法制造形成了对比，在减法制造中，材料是通过机械加工、雕刻或其他方式来塑造物体的。

“3D印刷”一词首先是在马萨诸塞州理工学院建造的。它提到了在90年代开发的基于喷墨的印刷过程。然而，最早的3D打印设备可以追溯到藏人kodama。app亚博体育他于1980年建造了名古屋市工业研究所的第一个原型。

ISO/ASTM 52900-2015定义了增材制造中的七个过程。材料挤压是最常用的工艺之一。

在增材制造中，聚合物材料通过加热的喷嘴拉伸(挤压)。通过精确的温度控制或使用化学粘合剂来确保挤压材料层之间的粘合。

Loughborough大学团队使用的热塑性聚合物如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和聚乳酸（PLA）是添加剂制造中最受欢迎的材料。亚博网站下载

增材制造能够制造更轻、更复杂的物体，而使用铣削和机械加工等传统方法很难或昂贵的物体。以前由多个部件制造的部件可以制造成一个整体，提高强度和耐久性。

随时间变化的材料(4D打印)亚博网站下载

许多材料(亚博网站下载如合成聚合物)都是有时间依赖性的。这意味着它们的属性和功能会随着时间发生显著变化。这种时间依赖性是它们的结构固有的，依赖于初始动力学和热力学边界条件。

它们的结构性取决于其热性质。它们的机械性能取决于加载方式（静态或动态），施加的变形类型（剪切或散装）。

Loughborough大学的研究人员首先证明了通过组合机械挤出和化学处理来定制挥之不键（PLA）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）的机械和几何特性。

改变施加的丙酮的量允许它们以新的机械性能产生物体，例如，使它们能够以新的方式变形。化学处理后，可塑性增加高达25倍。

这种利用3D打印来塑造材料随时间变化的特性和控制其机械性能的能力赋予了这种方法“4D打印”的能力。亚博网站下载

3D印刷部件通常薄弱，因为依次铺平了层，所以层之间存在几何缺陷，并且在层之间的材料之间的键合可能不如纯聚合物。

Andy Gleadall博士，拉夫堡大学高级讲师

潜在的应用包括用于头盔填充物和生物医学植入物的4D晶格。

这些新功能对于大量的部件和结构都有潜在的价值，但最明显的可能是那些在操作过程中会变形的部件，以及它们变形的方式需要控制。

Andy Gleadall博士，拉夫堡大学高级讲师

参考资料和进一步阅读

Amirpasha Moetazedian, et al . (2021) MaTrEx AM:一种新的混合添加剂制造工艺，可选择性地控制机械性能。(在线)添加剂制造。可以在:https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102337.

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