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中國科大提出熱固性材料的新型3D打印方法

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-01-28     來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)     瀏覽次數(shù):3131
核心提示:熱固性材料在交聯(lián)后形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。近年來,熱固性材料在軟體機(jī)器人和柔性電子等領(lǐng)域扮演著愈發(fā)重要的角色。新型軟體機(jī)器人對復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能性提出了更高的需求,面向其開發(fā)一種簡單、普適、廉價的熱固性材料制造方法具有重要的意義。
 熱固性材料在交聯(lián)后形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。近年來,熱固性材料在軟體機(jī)器人和柔性電子等領(lǐng)域扮演著愈發(fā)重要的角色。新型軟體機(jī)器人對復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能性提出了更高的需求,面向其開發(fā)一種簡單、普適、廉價的熱固性材料制造方法具有重要的意義。然而,熱固性材料的3D打印仍然存在諸多限制,如固化原理,材料的流變性和成型效率等。近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院機(jī)器人與智能裝備所張世武教授研究團(tuán)隊(duì)李木軍副教授,近代力學(xué)系王柳特任教授與南加州大學(xué)Yong Chen教授合作,提出了一種原位雙重加熱(in situ dual heating, ISDH)策略,成功實(shí)現(xiàn)了對具有多種流變性質(zhì)和功能特性的熱固性材料的墨水直寫(Direct ink writing, DIW)打印。成果以"3D printing of thermosets with diverse rheological and functional applicabilities"為題發(fā)表在國際期刊《Nature Communications》。

 

原位雙重加熱(ISDH)打印熱固性材料示意圖

該論文提出通過鄰接層快速加熱和焦耳加熱器加熱的雙重加熱方式,使得代表性的熱固性材料Sylgard 184最快可以在2s內(nèi)固化,從而成功實(shí)現(xiàn)了未經(jīng)改性的低粘度Sylgard 184的直接3D打印,打印結(jié)構(gòu)與模具鑄造結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能類似。通過采用不同直徑的噴頭(0.025~1mm),該方法的尺寸可擴(kuò)展性得到了驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了120mm的最大打印高度和50μm的分辨率。作者展示了一批具有不同性質(zhì)的熱固性材料的ISDH打印,這些材料具有跨越五個數(shù)量級的動態(tài)粘度變化,包括牛頓流體、剪切變稀流體和屈服應(yīng)力流體等。

 

ISDH打印低粘度Sylgard 184

該工作還展示了ISDH打印豐富的功能性,包括打印多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu),以及不同NdFeB含量的磁響應(yīng)柔性結(jié)構(gòu)(如柔性血管支架)等。通過與“pick-and-place”工藝結(jié)合,ISDH打印還可以制造柔性電子設(shè)備。這些結(jié)果表明,ISDH打印在新興的軟體機(jī)器人、柔性電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

 

磁響應(yīng)柔性支架的ISDH打印

 

柔性電子器件的ISDH打印

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金,科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,安徽省自然科學(xué)基金支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系博士研究生孫宇軒是該論文的第一作者,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授,王柳特任教授,南加州大學(xué)Yong Chen教授為共同通訊作者。研究工作得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱銀波副教授的支持。

 

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-35929-y

 

(工程科學(xué)學(xué)院 科研部)

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