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3-D灰度数字轻印刷(G-DLP)高功能梯度材料(FGM,中国机械网,okmao.com
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3-D灰度数字轻印刷(G-DLP)高功能梯度材料(FGM
2019年05月22日    阅读量:171    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

三维  (3-D)印刷  或添加制造(AM)是一种流行的技术,作为一种革命性的设计和制造方法,目前已引起极大的关注。研究人员已将其应用范围从快速原型设计扩展到  组织工程,  电子设备,  软机器人  和  高性能超材料,但大多数3D打印技术仅使用单一材料来打印零件或使用具有复杂机械梯度的多个离散属性来形成组件不能凝聚力控制。


相比之下,大多数天然结构如  鱼鳞  和  肌腱到骨骼  由多种材料制成,这些材料  具有显着不同的功能,这些  材料一起发挥作用中国机械网okmao.com。作为替代方案,  功能梯度材料  (FGM)已经引起了最近的研究兴趣,以改善基板的机械强度和流动耐受性。这使得FGM 3-D印刷在单一工艺中具有广泛可调的印刷性能,这在材料科学中具有越来越重要的意义  。


最近在中国和加拿大的机械工程,纳米生物力学和先进结构技术的跨学科部门的科学进展发表的一项研究中  ,肖匡及其同事提出了一种 单缸灰度  数字处理(gDLP)3-D打印方法。在这项工作中,他们使用灰度光图案和两阶段固化油墨来获得功能梯度材料(FGM),其具有高分辨率和高达三个数量级的机械梯度。为了证明该方法,他们开发了具有受控屈曲和变形序列的复杂2-D和3-D晶格,   具有  负泊松比的超材料,具有不同硬度的术前模型,用于4-D打印的复合材料和防伪3D打印的方法。


三维打印技术一目了然


对于先进的3D打印应用,研究人员已经证明PolyJet方法  具有多个喷墨打印头,可以同时在打印床上沉积不同的材料。然而,该方法具有一些  显着的缺点,  包括高设备成本,严格的树脂要求,有限的材料选择和相对低分辨率的多材料印刷模式。


通过两阶段固化的G-DLP 3D印刷FGM。(A)示意图显示了通过两阶段固化过程的分级材料的g-DLP印刷。首先将混合油墨用于DLP 3D打印,然后在加热炉中热固化印刷部件。(B)使用20秒的曝光时间和每层60μm的固化厚度,通过模型仅用一次曝光(实线)和多次曝光(虚线)预测在不同灰度光下的固化材料的归一化转化率。(C)第一阶段和第二阶段固化后的混合墨水的凝胶分数。(D)印刷过程中使用不同灰度的印刷材料的拉伸应力 - 应变曲线(样品尺寸,> 3)。(E)作为灰度函数的印刷材料的杨氏模量和玻璃化转变温度。(F和G)设计,弯曲下打印部件,以及通过g-DLP使用离散梯度(F)和连续梯度(G)灰度图案实现的分级材料的相应FEM模拟。比例尺,5毫米。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aav5790


因此,研究人员追求许多其他3D打印方法,包括  熔丝制造  和  直接墨水书写,尽管由于打印速度慢,这些技术没有进一步追求。当他们使用   基于数字微镜器件(DMD)的数字光处理(DLP)作为快速,高分辨率的AM方法时,聚合物树脂突然固化并且相比之下太快。虽然过去的方法表明实际制造具有可调节性能的功能梯度材料的能力有限。在最近的一项技术中,科学家开发了连续液体界面生产(CLIP)作为真正的突破,提供接近生产水平的最快3D打印技术 ; 也与当前的工作有关。


推出g-DLP(灰度数字光照打印)以开发数字材料


在目前的工作中,Kuang等人。在单缸中开发了一种新的两级固化混合油墨系统,以实现灰度数字光处理(g-DLP)3-D打印。他们使用双酚A乙氧基化物二丙烯酸酯(BPADA),甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA),二胺交联剂,丙烯酸正丁酯(BA),光引发剂和光吸收剂合成了混合油墨。在实验装置中,他们使用单色光强度设置来逐层固化树脂,类似于CLIP技术。


为此,他们使用透氧膜将固化部分与窗口分离,以便更快地进行印刷。科学家们首先将设计的结构切割成与各个印刷层相对应的图像,然后用MATLAB代码处理每个图像,以生成包含所需属性的灰度分布。然后,他们将具有灰度图案的各个图像的图像传递到UV投影仪进行打印。


FTIR光谱显示实际印刷的两阶段固化。(A)使用G70光进行印刷的混合油墨。(B)显示在两阶段固化期间双键演变的扩大区域。(C)显示在两阶段固化期间环氧基团发展的扩大区域。通过光聚合固化混合油墨形成网络。以下热固化导致双键和环氧基团的减少。残留的单体和悬挂的官能团,例如末端封端的双键和悬空环氧化物基团,将通过二胺交联剂进一步反应形成更多的键。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aav5790。


在实验过程中,它们诱导基于自由基的  光聚合  形成聚合物网络和印刷结构,并且表明材料的交联密度和模量随着灰度百分比的增加而降低。在工作中,GMA单体和二胺交联剂在热固化过程中起关键作用,并确定了混合油墨的灰度光聚合作用。


Ku等人。显示了该方法对光强度的非线性依赖性,并建立了反应动力学模型来检验时间依赖性光照。科学家通过使用放大倍数较小的光学系统调整软件,或通过增加光吸收剂含量来提高打印材料的分辨率,从而防止了基于漏光的分辨率降低。


他们使用傅立叶变换红外光谱(FTIR)监测光固化过程中的化学结构演变,  并测试了材料的机械和热机械性能。Ku等人。包括测试  杨氏模量  和  玻璃化转变温度  (Tg)作为灰度百分比的函数来表征新材料。由于该方法提供了通过控制灰度来创建数字材料的潜力,科学家们通过打印具有分级属性的简单几何样本来进行初始实验。


他们还使用  有限元建模  (FEM)模拟来预测架构的分级属性和变形率,以实现连续的梯度模式。这让Kuang等人。制造连续分级的材料,在施加点荷载时弯曲连续变化的曲率。科学家们表明,实验结果与单点弯曲行为的模拟一致。


然后,科学家们使用g-DLP探索研究中晶格和细胞结构的设计和制造。为此,他们首先印刷了一个二维点阵结构矩阵,其中包含三角形区域的灰度图案和其下方的空白区域。在压缩研究期间,变形仅发生在具有柔软材料的三角形区域中,其中三角形带下方的空间不变形以提供保护该区域下的任何材料的屏蔽。科学家表明,这种受控的屈曲可以增强能量吸收能力 - 使用伴随的应力 - 应变曲线中的稳定应力下降来验证。和以前一样,FEM模拟准确地预测了实验结果。


Ku等人。然后设计了一个三维点阵结构,在这里他们为每一层分配了不同的灰度值,以获得一个高分辨率的干净,印刷的网格。三维晶格的结构显示出连续的变形行为 - 应用于能量吸收。科学家们可以利用g-DLP印刷技术的分级材料特性来  制造手术前模型。


例如,使用该方法,他们用生物启发的模拟物印刷组织样结构,以产生骨(具有灰度G 0),软肌肉(G 85)和皮肤(G 70)结构。他们还能够设计一种小型假肢结构,其具有软肌肉(G 85)和硬骨(G 0),其使用g-DLP方法印刷。Ku等人。建议使用该技术来设计具有患者特定物理特性的定制结构,以   在再生医学的组织工程中  形成术前模型。


 4-D印刷形状记忆聚合物(SMP)和通过扩散辅助的加密


 对于g DLP-印刷材料可被编程或的温度范围内(T调谐克从14)0  ℃至68 0  C,用于作为  形状记忆聚合物  (SMP),其在不同温度下表现出的致动。为了证明这一点,他们设计的螺旋图案,其中,当加热至60 0  Ç打开以形成一条直线,随后在冰中冷却以扭转到原来的构象。然而,如果螺旋结构以相同的灰度(G20)打印,则所有铰链以相同的速度同时恢复其形状,尽管没有形状恢复到原始结构。然后,科学家通过开发机器人手臂来研究这种SMP的应用。


由于分级材料具有不同的模量和T g,这导致实验系统中的不同扩散性。因此,科学家们能够用各种着色染料观察不同的灰度图案。Ku等人。建议使用荧光素着色进行加密和防伪应用。例如,当科学家将QR(快速响应)代码包含在使用灰度图案打印的胶片中,然后进行荧光素处理时,图案仅在紫外光下可见,在可见光下不可见。而且,当Kuang等人。打印出二维码作为  灰度 模式并使用智能手机扫描,科学家们能够直接链接到通过互联网编码的信息或网站,防止伪造的3D产品。


就这样,Kuang等人。通过两阶段固化开发了g-DLP 3-D打印技术,实现了   具有复杂形状和可编程功能梯度的高分辨率数字制造。科学家们的目标是优化材料中的成分,以进行其他  印刷  应用。他们能够直接开发复杂的2-D / 3-D晶格,超材料,   具有形状记忆聚合物的4-D印刷,并产生内置于3-D材料本身的防伪技术。科学家们的目标是进一步改进新的g-DLP方法,为未来的应用设计材料,包括  4-D印刷超材料,仿生  术前模型,软机器人和添加剂制造。 根深蒂固的网络安全。


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