西湖大学周南嘉团队《Additive Manufacturing》：通过模块化设计的挤出头调控纤维内部周期性结构
发布日期：2024-06-07
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具有复杂内部结构的多材料一维（1D）纤维一直是科学与工程领域的研究热点。其柔性、可扩展性和多功能性使纤维广泛应用于驱动器、发光器件、储能设备、传感器和药物输送装置等应用。其中，周期性结构纤维可以通过对周期的设计和调控，显著提高纤维的性能和功能。将一维纤维组装成二维图案或三维结构将大大扩展其应用空间。然而，传统的纤维加工方法（包括熔融纺丝、溶液纺丝和静电纺丝）需要编织、针织等后纺丝工艺，这限制了生产效率，并给材料选择和复杂结构的制造带来了困难。
与传统制造相比，增材制造 (AM) 具有复杂结构设计和快速成型的优势。利用 3D 打印技术，可以轻松实现微观和宏观结构的制造。其中，直接墨水书写 (DIW) 是一种被广泛使用的多材料挤出加工方法，在成本效益与材料兼容性等方面具有较大优势。为了扩展挤出过程中多种材料的可编程性，微流体挤出头设计已被用于创建多功能纤维结构。然而，由于高分辨率微流道的设计和制造的复杂性，目前挤出头的结构选择仍然有限。
基于此，西湖大学工学院周南嘉团队提出了一种模块化策略设计挤出头，利用多材料直写工艺挤出具有可调控周期性结构的纤维，并用来制造具有空间可编程周期性结构的 3D 物体。不同功能的模块可以通过串联，并联，串并联等不同的方式进行连接组装，用来制备具有层状结构和棋盘结构的多材料纤维。纤维内部的周期性结构可以通过调节工艺参数，模块的种类数量和尺寸进行控制。通过模块化平台策略，极大的简化了挤出头设计的难度，提高了具有周期性结构纤维的加工效率。该挤出头是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印设备（精度：10μm）一体化成型制造而成。
通过研究团队的策略，两种具有相似流变性能和不同机械性能的不混溶材料用于共挤出。周期性结构可以显著提高纤维和晶格结构的机械性能。首先，对于硬/软硅橡胶复合弹性体，层状结构纤维展现出最高的断裂韧性（14.009 KJ/m2），分别是均质软硅橡胶和硬硅橡胶的1.8和11.8倍。其次，受生物珍珠壳状结构启发，加工得到环氧树脂/硅橡胶层状复合材料，纤维的增韧效果表现出明显的各向异性行为。在此基础上，研究团队通过控制打印路径，在3维木桩结构中对周期结构进行空间编程，使打印结构在压缩测试中不会发生灾难性的结构损坏。与直接混合的复合材料相比，层状结构的纤维的韧性和交错木桩结构的能量吸收能力表现出了显著的增强，分别提高了 4.3 倍（10.45 MPa）和 6.5 倍（12.43 J/g）。
本研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”为题发表在学术期刊《Additive Manufacturing》上。西湖大学博士生任靖波为论文第一作者，西湖大学特聘研究员周南嘉为论文通讯作者。本研究得到了西湖大学未来产业研究中心，先进微纳加工与测试平台，物质科学公共实验平台的大力支持。
图1. 模块化挤出头和打印结构。(a)：模块化挤出头打印设备和打印 3D 结构的示意图。放大的部分显示了具有内部流道结构的基本单元倍增器 (BME) 设计。(b)：通过分裂、堆叠、扩散实现流体强制倍增的过程。(c)：组装策略对纤维结构的影响。模块化挤出头设计以及对应于串联和串并联挤出头各个部分的理论纤维结构——包括入口模块 (IM)、倍增模块 (MM)、出口模块 (OM) 和连接模块 (CM) 等功能模块、纤维内部周期性图案示意图以及串联和串并联组装策略的打印纤维的横截面照片。比例尺，2 mm (a), 100 μm (c)。
图2. (a):串联(左)和串并联挤出头(右)的照片。(b):定制的四轴打印平台(左)和在3D打印设备中组装的挤出头(右)。比例尺，5 mm (a)。
图3. 纤维内部周期性结构的调控。(a-b)：粘度匹配对层均匀性的影响。(c)：流量比对层厚度的影响。(d-e)：多层结构纤维的横截面照片与实际层厚与理论层厚的比较。比例尺，100 μm (c,d)。
图4. 硬/软硅橡胶层状复合弹性体的力学性能。(a)：硬/软硅橡胶墨水的流变行为。(b)：组分对弹性体韧性的影响。(c)：层状结构增韧机理与复合弹性体纤维在拉伸试验过程中相应的断裂过程。(d)：层数对弹性体韧性的影响。(e)：韧性和临界应变的比较。比例尺，100 μm (a)，1 mm (c)。
图5. 环氧树脂/硅橡胶层状复合纤维的力学性能。（a）：环氧树脂/硅橡胶墨水的流变行为。（b）：三点弯曲试验示意图和相应的长丝应力分布。（c）：复合纤维的测试方向。（d）：组分对复合材料模量和韧性的影响。（e）：层状结构阻止裂纹扩展进行增韧。（f）：层数对复合材料韧性的影响。比例尺，100 μm (a)，1 mm (e)。
图6. 3D交错木桩结构的力学性能。（a）：打印路径示意图。（b）：压缩应力-应变曲线。（c）：打印结构在压缩测试中相应的失效过程。比例尺，5 mm（c）。
通过引入更多功能模块和不同的组装方式，可以设计高度可定制化的挤出头，以制备具有独特性能和新功能的复杂结构纤维。设计的灵活性和材料兼容性使研究团队的策略在建筑、光电、生物医学支架等领域具有良好的应用前景。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234
