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瑞士高精尖科技:5D设计空间3D打印超复杂结构

2015-11-09 09:08
FlappyBird
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  近日,苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的复杂材料研究人员开发出了一种3D打印方法来开发设计具有精美微结构特征的复合材料。在此之前,这种结构特征只在自然生长的生物材料中见到过。利用这种“多材料磁力辅助3D打印系统(MM-3D printing),研究团队已经有效地超越了3D成型能力,甚至进入了一种5D设计空间。据称这一技术最终可以开发出多功能的变形软装置,这种装置可以用于创建类似人体肌腱或者肌肉的机械连接系统,或者制造软机器人的选择性拾取-放置系统等。

  研究人员认为,将多种材料融合在一个3D打印对象中就为创建动态可编程的对象创造了可能性——这种可能性我们已经看到了,比如使用加载了阴极和阳极材料的油墨实现微型锂离子电池的直接布线;或者将细胞与生物相容性水凝胶结合起来探讨组织再生的可能性等等。这些3D打印的设计往往类似于自然界中活细胞生长生物材料的方法,但是直到现在,人类设计的结果也没有达到与之相同的复杂水平。“与常规的3D打印技术相比,活细胞所具备的独立局部成份和纹理控制水平至少多出了两个自由度(或者维度)。”他们解释说。

  而受到自然界中复杂多样的构建方式的启发——比如植物能够根据环境因素的影响改变自己的形状——研究者们设计了“一种可以在5D设计空间编程并制造合成微结构的增材制造方法。”所谓的5D设计空间,指的是除了增材制造的3D成型能力之外,还包括了合成物的本地控制(1D)和颗粒方向(另外1D)。

  MM-3D打印平台原理图。

  用3DDiscovery公司的regenHU改装成的MM-3D打印平台

  在天工社网站中,我们已经接触到了一些4D打印的技术,比如那些使用3D打印的形状记忆高分子材料创建的复杂的自我折叠结构等。而为了实现“5D可编程性”,瑞士研究人员使用了一种将具有磁响应属性的颗粒悬浮在液态光敏树脂中制成的墨水。随后他们改装了一台商业3D打印机——3DDiscovery公司的regenHU,并用它来沉积墨水。

  改装后的3D打印机配备了四个可独立寻址定位的注射器,每个注射器里可盛放不同配方的墨水。这台3D打印机上还安装了一个由两个部件组成的混合/分配单元,并由该单元来控油墨组成的变化。至于墨水,研究人员使用了两种具有不同流变特性的墨水:具有粘弹性的“成型”墨水,用于生成外框;低粘度的“纹理”墨水,用于轮廓内的打印。

  带内部螺旋楼梯的MM-3D打印对象。“成型”墨水被指示为灰色,而“纹理”墨水被指示为米色。周边的黑色图案则代表了光刻掩模

  为了展示自己开发的MM-3D打印平台所具备的定向、复合和形状控制能力,研究人员打印出了一个具有复杂形状以及与自然界完全不同的非均质精细微结构的3D对象(见上图)。他们将这个对象成为“螺旋”,该对象的外部呈现了各种不同的凸起和凹陷的曲面,而其内部则将众多小片汇集成螺旋楼梯的形式,从底部一直延伸到顶部。整个对象的大小仅为18毫米,其圆形底座直径为16毫米,顶部直径为10毫米,总共由60个圆形层组成。科学家们称,这种极端复杂的小尺寸3D打印对象代表了一种更加先进的人造物体,这种物体比以前更加接近于生物材料和植物系统中那种丰富、复杂、高效的几何形式。

  研究者还能够使用这种3D打印平台创造出软性的机械紧固零件和3D变形的锁键连接器。“虽然可以设想许多其他功能,但我们提供的例子包括利用非均质复合材料的形变来制造软性的机械紧固件,这种紧固件的工作原理非常特殊,它不需要任何化学粘合,完全可以根据紧固系统预先编程好的形状变化带驱动不同部件之间的机械互锁。”

  他们提出这种紧固系统可以创建类似人体肌腱或者肌肉的机械连接系统,或者这种可重新设置的锁键连接器也可以用作能够自主触发的灵活关节等。

  通过MM-3D打印技术打印的可编程变形对象制造的软机械紧固件

  这项研究的领导者为Dimitri Kokkinis、Manuel Schaffner和André R. Studart,并得到了美国空军科学研究办公室、瑞士国家竞争力与研究中心(NCCR)和苏黎世联邦理工学院的资助。

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