“數(shù)字處理”+“3D打印”實現(xiàn)纖維素材料“該軟軟，該硬硬”

來源：高分子科學(xué)前沿

一般來說，我們?nèi)粘Ｓ玫降膹?fù)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(zhì)或功能，并且由于這樣的差異，更適合所應(yīng)用的場景。尤其是進(jìn)入20世紀(jì)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(lǐng)域極為苛刻的使用環(huán)境，功能梯度材料(functionally gradient materials，F(xiàn)GM)應(yīng)運(yùn)而生。

功能梯度材料是由兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料，具有特殊的結(jié)構(gòu)特點和功能特性，可適應(yīng)極端環(huán)境，滿足有時是相互沖突的設(shè)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(shù)制造功能梯度材料的設(shè)計軟件都沒有整合材料的梯度數(shù)據(jù)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(xué)的A. Menges教授研究團(tuán)隊利用材料工程和數(shù)字處理相結(jié)合的方法，基于增材制造技術(shù)，賦予纖維素基的可調(diào)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(tuán)隊將梯度信息嵌入設(shè)計模型之中，以多種方式實現(xiàn)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(jié)合材料工程和數(shù)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(jié)合材料工程和數(shù)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(diào)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(shè)計了一種數(shù)字工作流程，將梯度信息嵌入到設(shè)計中，生成自定義的制造代碼來控制3D打印機(jī)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(diào)流變和機(jī)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(xiàn)HEC的凝膠點出現(xiàn)在96分鐘處(圖2A)，標(biāo)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(jìn)一步研究了擠出的時間窗口，發(fā)現(xiàn)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(diào)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(jī)械性能的影響。木質(zhì)素含量的增加增大了打印材料的剛度和抗拉強(qiáng)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(zhì)能夠獲得一系列不同力學(xué)性能的材料。改變打印溶液的粘度對實現(xiàn)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(yīng)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(diào)制印刷材料的機(jī)械和流變性能。

如臂驅(qū)使：從數(shù)字設(shè)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(shù)據(jù)相結(jié)合，以創(chuàng)建功能梯度材料數(shù)據(jù)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(nèi)的可視化編程接口Grasshopper，使設(shè)計和制造之間無縫對接，允許用戶在設(shè)計過程中利用制造參數(shù)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(shè)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(jī)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(chǎn)生梯度(圖4D-G)。

圖4所示：剛度梯度材料的設(shè)計制作流程。

剛度梯度引導(dǎo)變形過程
圖6顯示了如何使用剛度梯度來指導(dǎo)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(xiàn)出不同的變形行為和末端幾何形狀(圖6B-E)。
研究人員認(rèn)為這種剛度梯度材料對柔性機(jī)械和柔性機(jī)器人的發(fā)展有重要意義，它可以被用來創(chuàng)建在驅(qū)動力的作用下表現(xiàn)出復(fù)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(jié)
最后，研究者認(rèn)為這項工作利用了材料工程和數(shù)字處理相結(jié)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(diào)粘彈性材料-羥乙基纖維素復(fù)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(shè)計模型中，從而更好地分布材料，進(jìn)行制造。

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