“數字處理”+“3D打印”實現纖維素材料“該軟軟，該硬硬”

來源：高分子科學前沿

一般來說，我們日常用到的復合材料中的組分是均勻分布的，整體材料的性能是同一的。但是在有些情況下，人們常常希望同一件材料的不同位置具有不同的性質或功能，并且由于這樣的差異，更適合所應用的場景。尤其是進入20世紀60年代，美蘇競爭白熱化，開始在航空工業(yè)角逐。為滿足航空領域極為苛刻的使用環(huán)境，功能梯度材料(functionally gradient materials，FGM)應運而生。

功能梯度材料是由兩種或多種材料復合且成分和結構呈連續(xù)梯度變化的一種新型復合材料，具有特殊的結構特點和功能特性，可適應極端環(huán)境，滿足有時是相互沖突的設計要求。但其在梯度連續(xù)性、界面鍵和性和取向自由度方面仍存在不足。此外，大多數制造功能梯度材料的設計軟件都沒有整合材料的梯度數據的能力，這一缺陷大大阻礙了對功能梯度材料的探索。

為了解決這一難題，德國斯圖加特大學的A. Menges教授研究團隊利用材料工程和數字處理相結合的方法，基于增材制造技術，賦予纖維素基的可調粘彈性材料連續(xù)的、高對比度的和多向的剛度梯度特性。同時研究團隊將梯度信息嵌入設計模型之中，以多種方式實現剛度梯度。該研究成果以題為“Additive manufacturing of cellulose-based materials with continuous, multidirectional stiffness gradients”的論文發(fā)表在《SCIENCE ADVANCES》上（見文后原文鏈接）。文章第一作者為P. A. G. S. Giachini。


如虎添翼：結合材料工程和數字處理的功能梯度材料的制造方法
研究人員展示了一種結合材料工程和數字處理，來創(chuàng)建梯度材料的制造方法。研究人員將粉末狀的羥乙基纖維素(HEC)溶于水，并與添加劑在燒杯中混合，得到可調節(jié)粘彈性的纖維素衍生物基材，使控制擠壓成為可能。研究人員設計了一種數字工作流程，將梯度信息嵌入到設計中，生成自定義的制造代碼來控制3D打印機和注射泵，從而得到梯度功能材料。

圖1所示：打印工藝原理圖。

好馬配好鞍：具有可調流變和機械性能的羥乙基纖維素
研究者選取了羥乙基纖維素(HEC)作為基材。HEC作為一種纖維素的衍生物，是食品和化妝品工業(yè)中的增稠和膠凝劑。研究發(fā)現HEC的凝膠點出現在96分鐘處(圖2A)，標志著其從溶液狀態(tài)過渡到固體水凝膠狀態(tài)。而在凝膠過程中，隨著溶液粘度的增加，注射器泵持續(xù)順暢的擠出也逐漸受到限制。因此，研究者進一步研究了擠出的時間窗口，發(fā)現HEC的分子量增大和HEC的含量降低能夠延長成膠過程。另外，研究者使用檸檬酸將pH調到3.0時，能夠最大限度延長凝膠點至大約216分鐘 (圖2B)。這無疑增加了HEC擠出后的一致性。

研究者還分析了添加劑對于打印材料的流變和機械性能的影響。木質素含量的增加增大了打印材料的剛度和抗拉強度，而檸檬酸的作用是相反的(圖3A,B,C)。作者利用這兩個作用相反的物質能夠獲得一系列不同力學性能的材料。改變打印溶液的粘度對實現剛度梯度同樣重要。圖3D顯示了打印材料能夠獲得的粘度范圍，以及在加工剪切速率為28.7 s−1時，HEC的受剪切減薄特性（黏度隨著剪切速率或剪切應力的增大而減少的流動叫做剪切稀化流動(shear thinning flow)）影響的粘度值。

圖2所示：印刷溶液的流變性能。

圖3所示：調制印刷材料的機械和流變性能。

如臂驅使：從數字設計到工程制造
研究人員開發(fā)的工作流程允許用戶將幾何模型與梯度數據相結合，以創(chuàng)建功能梯度材料數據并生成制造代碼(圖4A)。這個工作流程基于三維建模軟件Rhinoceros 3D內的可視化編程接口Grasshopper，使設計和制造之間無縫對接，允許用戶在設計過程中利用制造參數包括沉積順序、沉積速率、沉積比(通過(i)疊層、(ii)改變材料量、(iii)改變材料組成改變沉積比)來創(chuàng)建不同的梯度屬性。

研究者設定程序改變打印材料的沉積順序，如圖4B所示，先沉積粘度低的，后沉積粘度高的，從而獲得剛度梯度。研究者也可以通過改變沉積速率獲得剛度梯度，而沉積速率(ml/mm)取決于注射器泵的擠出速率(ml/s)和打印機的噴嘴速度(mm/s)。研究者還可以通過改變材料的混合比例來產生梯度(圖4D-G)。

圖4所示：剛度梯度材料的設計制作流程。

剛度梯度引導變形過程
圖6顯示了如何使用剛度梯度來指導對象的變形。通過探索不同纖維素混合物的楊氏模量范圍(圖6A)，可以打印出具有相同橫截面厚度的視覺上相似的樣品，這些樣品由于其獨特的剛度梯度而表現出不同的變形行為和末端幾何形狀(圖6B-E)。
研究人員認為這種剛度梯度材料對柔性機械和柔性機器人的發(fā)展有重要意義，它可以被用來創(chuàng)建在驅動力的作用下表現出復雜的變形行為和力的重新分布的物體。圖6 (F-G)顯示了使用不同加工策略的纖維素樣品的變形情況，在外力作用下，樣品變形取決于樣品本身的剛度梯度。

圖6所示：圖案剛度梯度編程樣品變形

小結
最后，研究者認為這項工作利用了材料工程和數字處理相結合的方法來控制材料的混合和沉積，使基于增材制造的可調粘彈性材料-羥乙基纖維素復合物具有連續(xù)的、高對比度的和多向的剛度梯度。同時，開發(fā)的工作流程允許將梯度信息嵌入到設計模型中，從而更好地分布材料，進行制造。

全文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/8/eaay0929.full