通過(guò)3D打印進(jìn)行可定制對(duì)象制造為個(gè)性化需求提供了巨大的希望，它可以改善我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的相關(guān)設(shè)備和工具的合身性、性能和舒適性。但是，3D打印在結(jié)構(gòu)對(duì)象中的應(yīng)用受到其較差的機(jī)械性能的限制，這從制造零件的逐層過(guò)程中可以看出。來(lái)自美國(guó)阿克倫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在ACS Applied Materials＆Interfaces上發(fā)表的成果表明對(duì)原材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改可以提高這些可印刷塑料的韌性。

圖形摘要

3D打印已成為開(kāi)發(fā)新設(shè)計(jì)和概念的快速原型制作的關(guān)鍵要素，但是，由于3D打印的功能對(duì)象的生產(chǎn)受到高性能原料的可用性和對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的了解不足而受到限制。大多數(shù)用于打印塑料零件的技術(shù)都是逐層構(gòu)建的，這導(dǎo)致了這些內(nèi)部界面類(lèi)似于焊接線(xiàn)，這限制3D打印零件的性能。盡管在零件制造過(guò)程中面臨著界面強(qiáng)度方面的挑戰(zhàn)，但在過(guò)去十年中仍取得了重大進(jìn)展，特別是在針對(duì)患者需求的個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備的潛力方面。這些范圍從模型到復(fù)雜的輔助外科手術(shù)到骨骼支架和軟組織工程。除了具有生物醫(yī)學(xué)潛力外，3D打印還具有輕量化的優(yōu)點(diǎn)，它可以打印出性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)材料的細(xì)胞固體，以及生成具有高級(jí)功能的復(fù)雜、多組件對(duì)象的能力，例如柔軟的自主機(jī)器人。對(duì)于塑料材料，人們一直在努力提高所打印材料的功能。其中包括最高工作溫度的提高、彈性的提高、剛度的提高和印刷零件的響應(yīng)性。特別是響應(yīng)性材料可以進(jìn)行四維印刷，這代表了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的新范例。同樣，由3D打印實(shí)現(xiàn)的功能已被用于生產(chǎn)輕質(zhì)超材料，這些超材料具有獨(dú)特的性能，包括負(fù)熱膨脹系數(shù)。但是，在3D打印零件的機(jī)械性能受到限制的情況下，打印方法往往仍然存在局限性不如傳統(tǒng)的制造方法。因?yàn)檫@種多功能性受到印刷零件的強(qiáng)度和耐用性的限制。這些對(duì)象中的大多數(shù)都是分層印刷的，這自然會(huì)導(dǎo)致各層相遇的薄弱部位。因此，3D打印物體的強(qiáng)度不如通過(guò)將塑料注入模具的現(xiàn)有方法制成的物體強(qiáng)。

聚合物3D打印的一種常用技術(shù)是熔融長(zhǎng)絲制造(fused filament fabrication, FFF)，其中熱塑性長(zhǎng)絲通過(guò)光柵熱端快速熔化并沉積在構(gòu)建階段，以逐層方式構(gòu)建零件。該技術(shù)依賴(lài)于沉積的熔融聚合物熔化下層以產(chǎn)生可行的界面，而必須限制熔融聚合物的流動(dòng)以防止零件變形。這些要求的正交性導(dǎo)致了形狀精度與零件機(jī)械性能之間的權(quán)衡。FFF的大部分工作都集中在嘗試優(yōu)化加工條件以在3D加工中產(chǎn)生最佳機(jī)械性能方面。但通常比可比較的注塑成型件差一個(gè)數(shù)量級(jí)。迄今為止，大多數(shù)改善FFF零件性能的努力都集中在使用新型聚合物和打印機(jī)的工程設(shè)計(jì)上，但是這些方法未能解決FFF固有的潛在缺陷，即層間界面不佳。尤其是，這些3D打印部件的沖擊性能很差，這限制了它們?cè)诳量虘?yīng)用中的使用。

在這里，來(lái)自美國(guó)阿克倫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)描述了一種新穎的方法，該方法通過(guò)使用核-殼結(jié)構(gòu)細(xì)絲的材料設(shè)計(jì)方法直接解決了薄弱的界面問(wèn)題。這些長(zhǎng)絲通過(guò)高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）芯（可增強(qiáng)印刷形狀的“剛性骨架”）和低Tg殼（可改善聚合物相互擴(kuò)散），克服了形狀精度與機(jī)械性能之間的一般權(quán)衡問(wèn)題 在相鄰的印刷層之間。

研究人員制造的這種結(jié)構(gòu)化核-殼聚合物長(zhǎng)絲，其中聚碳酸酯纖芯充當(dāng)支撐和增強(qiáng)3D打印形狀的剛性骨架。圍繞聚碳酸酯芯的烯烴離聚物殼改善并增強(qiáng)了印刷層之間的連接。在測(cè)試過(guò)程中，與沒(méi)有細(xì)絲的零件不同，帶有細(xì)絲的印刷零件可以承受沖擊而不會(huì)破裂。新的燈絲使3D打印零件更接近于通過(guò)當(dāng)前方法制造的零件的強(qiáng)度。

▲圖1. (A). 制造PC@Surlyn核-殼細(xì)絲的共擠工藝示意圖；(B). 圖解說(shuō)明FFF對(duì)核殼進(jìn)行3D打印的示意圖；(C). 3D打印的核-殼（PC @ 45％Surlyn）對(duì)象的X射線(xiàn)斷層掃描，以說(shuō)明打印部分中絲狀結(jié)構(gòu)的維護(hù)。Surlyn（亮）相對(duì)于PC（暗）的低電子密度提供了對(duì)比，以區(qū)分X射線(xiàn)的成分。

▲圖2. (A) PC @ 45％Surlyn沖擊試驗(yàn)后，在XY方向打印的缺口區(qū)域的X射線(xiàn)μCT圖像；(B) SEM顯微照片顯示了PC纖維在裂紋前沿（黑色虛線(xiàn)區(qū)域）的彎曲。(C)在缺口中心的橫截面的X射線(xiàn)μCT圖像顯示了裂紋前緣的剩余PC纖維，而Surlyn則已分層。

▲圖4. 對(duì)于3D打印的核-殼樣品，其XZ方向（左）側(cè)視圖和（右）橫截面的X射線(xiàn)μCT圖像，X方向?yàn)?A)PC@25％Surlyn, (B)PC @ 45％的素林，和(C)PC @55％的Surlyn。

▲圖7. SEM顯微照片顯示了3D打印零件的拉伸斷裂表面，這些零件來(lái)自(A)PC, (B)Surlyn和(C)具有45％Surlyn的核-殼的細(xì)絲。單組分長(zhǎng)絲的零件斷裂表面相當(dāng)干凈，而PC@Surlyn長(zhǎng)絲導(dǎo)致的表面讓人聯(lián)想到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

與單個(gè)組件相比，這種結(jié)構(gòu)化的長(zhǎng)絲可提高尺寸精度和抗沖擊性。含有45％體積殼的結(jié)構(gòu)化長(zhǎng)絲的抗沖擊性可以超過(guò)800 J/m。這種改進(jìn)的抗沖擊性的起源是使用X射線(xiàn)微計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)行探測(cè)的。殼層從裂紋尖端附近的PC處脫層，從而消散了能量，而PC保持完好無(wú)損，可以在撞擊后為零件提供穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)化的長(zhǎng)絲極大地改善了制造的關(guān)鍵性能，并代表了3D打印零件可獲得的沖擊性能的重大飛躍。