《Additive Manufacturing》微結(jié)構(gòu)絲材堆疊直接3D打印功能性表面

來源： 奇遇科技

大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院孫吉寧教授、張磊副教授團(tuán)隊(duì)在《Additive Manufacturing》上發(fā)表題為Direct 3D printing functional surfaces stacked with microstructured filaments的研究論文

以材料擠壓為基礎(chǔ)的增材制造技術(shù)具有成本低、產(chǎn)量高、材料相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。表面微結(jié)構(gòu)賦予3d打印產(chǎn)品防污、防腐、減阻等先進(jìn)功能。然而，在增材制造長絲的連續(xù)擠壓過程中，直接獲得表面微結(jié)構(gòu)是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管開發(fā)了各種旨在制造3D打印產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)表面的后處理和預(yù)處理策略，但它們無法在線調(diào)節(jié)微尺度形態(tài)，這往往需要額外的操作并降低制造效率。所以本研究提出了一種基于FDM在線3D打印策略的方法，可以直接制造微結(jié)構(gòu)物體，無需復(fù)雜的后處理操作。利用微溝槽打印噴嘴擠出微結(jié)構(gòu)的絲材，并通過調(diào)整打印參數(shù)和噴嘴內(nèi)壁微溝槽的形狀和尺寸來控制擠出絲材表面微結(jié)構(gòu)的尺寸和形貌。還使用Bird-Carreau模型描述了聚合物熔體擠出過程中微結(jié)構(gòu)的演變，并驗(yàn)證了該技術(shù)與傳統(tǒng)FDM 3D打印技術(shù)的兼容性。使用該技術(shù)打印的表面具有各項(xiàng)異性潤濕特性，提高了材料在不同方向上的水接觸角差異。這種技術(shù)可以克服當(dāng)前FDM 3D打印技術(shù)在制造先進(jìn)功能產(chǎn)品方面的局限性，并為智能微流控器件、多功能組織工程支架和高性能傳感器的制造提供了新思路。

圖1FDM打印微結(jié)構(gòu)表面示意圖。

圖2 打印參數(shù)和微溝槽尺寸對(duì)微結(jié)構(gòu)高度的影響。

圖3 微溝槽形狀對(duì)擠出絲材表面微結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 微結(jié)構(gòu)絲材形貌。

研究結(jié)論
基于FDM方法，提出了一種用于功能微結(jié)構(gòu)表面圖形的在線3D打印策略μFDM。表面功能化是直接通過3D打印實(shí)現(xiàn)的，不需要任何額外的修改。通過使用微槽噴嘴，可以成功地生產(chǎn)出具有完全微化表面的組件。μFDM獨(dú)特的加工能力為醫(yī)療保健、組織工程和其他基于液滴的應(yīng)用提供了新的視角，這些應(yīng)用的表面功能化和跨尺度加工能力至關(guān)重要。對(duì)于PLA長絲，與打印溫度和噴嘴微槽長度相比，打印速度(可達(dá)100mm s)和噴嘴微槽深度對(duì)微脊的形成起著更重要的作用。通過調(diào)整打印噴嘴上微槽的橫截面，可以靈活地控制微脊的幾何形狀。三角形、矩形和梯形微脊是在擠壓長絲上形成的?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)突出了μFDM作為一種功能化表面的通用技術(shù)的潛力，并證明了其與各種材料和噴嘴尺寸的兼容性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103900