具有增强机械性能的仿生3D打印材料的最新进展(2)

时间：2022-12-13 10:36 来源：长三角G60激光联盟作者：admin 阅读：次

Ren等（2018）将磁场应用于仿生结构材料的3D打印制造过程，以获得受螳螂虾“人字形”螺旋结构和阿拉伯长臂猿Bouligand结构启发的微观结构（图3E）。在提高机械性能和缺陷容限的同时，印花长丝的结构保持了较高的比强度，可用于航空航天工程中的轻质结构复合材料的设计。

具有布配体型MWCNT-S的仿生结构可以通过电动辅助3D打印来重建。a）美洲芸香的示意图和用布配体型甲壳素蛋白纤维制成的爪子的微观结构。b）通过电极旋转不同排列的碳纳米管示意图。c）裂缝表面的光学显微镜图像和裂缝表面的扫描电镜图像，用于MWCNT-S的不同对准对应于（b）。d）由电辅助纳米复合材料3D打印制造的逐层生物启发的BOUCNT型MWCNT-S的示意图。

生物有机体中布配体排列结构的多功能性与其强大的机械性能相结合，使其成为新材料设计的丰富灵感来源。天然材料中布配体排列结构的特殊例子可以在巨骨舌鱼的鳞片以及螃蟹和美洲霍马鲁斯的爪子中找到，这些鱼片用于保护自己免受早熟或专门用于近距离战斗（上图a）。布配体排列纤维的存在通过增加能量耗散和断裂韧性来增强抗冲击性。这里提出了一种称为电辅助纳米复合3D打印的方法，该方法可以通过控制旋转电场来动态对齐MWCNT-S，以制造受生物启发的加固结构。

挤压巴萨木结构
由于在挤压过程中纤维通过剪切力对齐，巴萨木启发结构被广泛研究并通过基于挤压的3D打印方法制造。不仅生产和管理表面结构以改善材料的总体机械性能，而且还可以通过创建独特的内部布局来提高性能。轻质蜂窝复合材料是一种高性能结构材料，在承载、能量吸收、减振和绝缘方面具有广阔的应用前景。轻木结构是自然界的多孔材料之一，具有出色的强度重量比和刚度重量比，以及出色的能量吸收。 Compton等人制备了一种由3D直接墨水书写产生的巴萨木仿生结构，该结构通过剪切力沿打印方向将铣削碳纤维（220μm长）定向在环氧树脂中（图4A）。通过该工艺印制的拉伸钢筋的杨氏模量约为商业3D印制环氧树脂（2.66 GPa）的10倍。这种新兴的3D打印技术不仅展示了一种新的省时制造方法，而且还降低了生产过程中不必要的成本。

图4示意图说明了轻木中对齐的纤维结构。（A）带有定向SiC/C纤维的3D印刷三角形蜂窝复合材料的光学图像；（B）受轻木启发的多孔复合材料多尺度建模方法示意图；（C）真菌类模拟材料的超分子组织；（D）显示通过旋转喷嘴旋转3D打印以获得螺旋图案时纤维方向的示意图。

本研究还强调了基于直接墨水书写（DIW）的大规模3D打印设备在FLAM材料制造涡轮叶片和改善其表面光洁度和功能方面的独特应用。

打印机和超声波操作装置的示意图。

在3D打印部件中引入短纤维微尺度增强材料是目前的兴趣，以改善基于聚合物的3D打印组件的结构性能。为了完全控制微观结构的分布和取向，需要一种替代熔融长丝制造打印的方法，以便设计人员可以对颗粒进行完整的3D放置控制，而没有任何强加的制造限制。

Nacre构造
珍珠层的“砖和砂浆”结构是自然界中最常见的仿生设计，这种结构可以用作体育应用、航空航天和其他相关领域的轻型和坚固的防护罩。Tran等人还提出了一种3D打印方法，用于制作珍珠层启发的Voronoi基复合结构（图5B），从而能够制作可用于各种潜在应用的轻质和坚固结构。Yang等人提出了一种通过3D打印制造受珍珠层启发的多功能设备的新方法（图5C）。电子辅助3D打印用于校准石墨烯纳米板（GNs），GNs充当砖块，而聚合物在其间充当砂浆。研究了3D打印珍珠层的力学/电学特性，并比较了具有排列GN的珍珠层激发结构和具有随机GN的结构。通过对齐GN，3D打印结构材料显示出了更好的断裂韧性、抗冲击性和导电性。

图5 示意图说明了珍珠层的微观结构。（A）有限元（FE）模型指导的珍珠层启发结构的3D打印；（B）鲍鱼壳的微观结构显示出砖和砂浆结构；（C）电辅助3D打印产生的具有各向异性电性能的珍珠层模型和自感知智能头盔；（D）海螺壳启发的三层碳酸钙跨层结构的3D打印。

Menger结构旨在演示使用布配体型MWCNT-S进行电动辅助3D打印，以实现新型坚固轻质复合材料。下图显示了使用PA / MWCNT-S复合材料的Menger海绵模型的3D打印过程。在打印过程中，电场用于启用MWCNT-S的方向。下图g中的显微镜图像显示模型（5 mm × 5 mm）已成功构建，层厚度为25 μm。模型中正方形的长度分别为2 mm，750 μm和250 μm（不同颜色的三角形是显示模型不同部分的显微镜的标签）。横截面展示了逐层制造过程。层厚度的均匀性显示了建筑加固建筑中对电动辅助3D打印的控制。SEM图像显示层之间没有缺陷，这表明层间粘合很强。

电动辅助3D打印功能模型打印过程示意图。

改变形状的材料
仿生结构和仿生运动可以提高人造材料的力学性能。Arslan等人（2019年）发现了一种生物启发设计，该设计采用线性水凝胶致动器，由无温度响应填料和增强型温度响应聚合物制成（图6B）。通过在特定温度下操纵部件的几何设计和方向，致动器引入了鞍形形状变化和其他运动。这项研究还发现，临界模量的下限（15 kPa）足以打印自支撑3D结构。由于形状的变化，强化结构受到自然湿度形态和种子荚的启发，通过响应湿度的刺激，模拟生物有机体的运动，诱导弯曲和扭曲运动。结果表明，由功能部件模块化组装而成的仿生形状，由于刺激诱导控制机制，在制造具有仿生运动的软器件方面具有巨大潜力。

图6 通过3D打印表示形状变化材料结构的示意图。

Mao等人研究了通过形状记忆聚合物和水凝胶的3D打印设计的可逆形状变化组件（图6C；Mao等人，2016）。此外，由于受生物启发的软致动器与人类及其周围环境的相互作用具有安全性，因此引起了人们的关注（图6D；Schaffner等人，2018）。本研究进一步推动了运动精确控制的软致动器的发展，它在需要安全机器人与人交互的领域具有潜在的应用前景。

立体光刻在30年内的市场演变。

液体树脂固化因其简单易行而广泛应用于3D打印（Manapat等人，2017）。当两种或多种单片材料组合在一起时，复合材料就形成了，使得更强和刚性的增强相分散在较弱的连续相中，称为基体。如果两相中的任何一个具有十亿分之一米尺度的一个，两个或三个尺寸，则所得材料被归类为纳米复合材料。SLA将在未来30年内走向直接制造（上图），涉及纳米复合材料的新型化学或更好的交联策略。在聚合物的情况下，这将导致更多的热固性或高性能聚合物性能，具有高热机械强度和稳定性。

在自下而上的方法中，树脂位于可移动的构建平台的顶部。在印刷过程中，构建平台最初放置在仅暴露在表面上的薄层树脂的位置。激光扫描暴露的树脂，形成具有2D图案的固化层。打印一层后，构建平台向下移动，滚筒提供一层新的未固化树脂。通过确保固化深度大于树脂层厚度，可实现强大的层间粘合力。

自下而上的 SLA（左）和自上而下的 SLA（右）的方案。

结论与展望
经过数百万年的进化，自然结构和材料已经进化出优良的力学性能。但这些自然结构往往过于复杂，远远超出了传统制造技术的范围。增材制造（3D打印）由于其制造复杂结构的能力，在设计和建造仿生结构方面显示出巨大的优势。机械增强结构的仿生3D打印的进一步发展将取决于材料和结构的发展，以进一步提高拉伸模量、抗冲击性和韧性。此外，还需要开发新的3D打印工艺，如更高的分辨率、多材料能力、更大的打印面积和更低的制造成本。

最近，生物灵感3D打印的研究已从单一功能特性的研究转变为多功能特性，因为大多数自然结构具有多功能特性（例如机械/电气/热特性的组合）。使用了多种类型的聚合物，而天然珍珠层通过结合陶瓷和聚合物形成了优良的结构。这一点以及各层之间的相互联系目前很难实现。这一困难仍然是用聚合物、陶瓷和金属建造仿生多材料结构的主要挑战。外部场辅助3D打印技术在构建仿生结构方面表现出出色的能力，但目前打印样本的大小仅限于厘米。为车辆、装甲和航空航天工程的实际应用建造大型结构仍然具有挑战性。

此外，自然界中的一些结构在单层中包括不同排列的互锁填料，需要对此进行进一步研究。生物灵感3D打印的进一步研究在于开发多材料打印技术、高分辨率打印以及使用3D打印辅助传统技术。幸运的是，当今制造和技术环境的快速发展正在推动生物灵感3D打印技术的进步。为了实现这一目标，使用新材料和新3D打印工艺的下一代自然启发结构的未来发展需要环保、降低成本、使用绿色能源，并具有先进的结构设计改进。总的来说，了解自然结构的机制可以促进3D打印工艺的发展，3D打印工艺将在未来的工程应用中发挥重要作用，例如防弹衣、机器人手臂、药物输送等。

来源：Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties, Frontiers in Materials, doi.org/10.3389/fmats.2021.518886

参考文献：Laser additive manufacturing of bio-inspired lattice structure: forming quality, microstructure and energy absorption behavior. Mater. Sci. Eng. A 773:138857. doi: 10.1016/j.msea.2019.138857

(责任编辑：admin)

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