将 3D 打印的最大缺陷转化为最智能的功能

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约翰霍普金斯大学的土木工程师和系统工程师将 3D 打印机的一个长期问题变成了一个多功能特性：该团队开发了一种新的打印技术，解决了 3D 打印过程中产生的层间根本弱点。这项研究发表在《先进材料》杂志上，有可能定制 3D 打印对象的行为。
“在 3D 打印中，界面因容易产生缺陷而臭名昭著，”惠廷工程学院土木与系统工程系助理教授 Jochen Mueller 说道。“打印材料要么粘附得太多，要么粘附得太少，导致结构缺陷。这类似于意大利面条在烹饪后粘在一起，但很容易拉开。这会产生缺陷，限制 3D 打印产品的功能。”
为了解决这个问题，团队成员开发了一种新的打印技术，使他们能够精确控制体素（像素的三维对应物）之间的界面及其功能，包括粘附性等特性（不同层或材料粘合在一起的程度）。
该技术被称为体素界面3D 打印 (VI3DP)，使用配备标准喷嘴的打印头，该喷嘴周围环绕着四个附加喷嘴。标准喷嘴沉积材料时，这些附加喷嘴会在其顶部添加一层不同材料的薄膜。这使得每条 3D 打印线之间的界面都可以在单材料和多材料打印中进行控制和定制，从而无需多个打印头，也无需在物体上留下不必要的间隙或特征。
图片来源：约翰霍普金斯大学
除了打印出更坚固的模型外，VI3DP 还为 3D 打印物体开辟了一系列新应用。在这项研究中，该团队展示了如何将光学、机械和电气特性集成到界面中——所有这些都在一次打印中完成，而且不会增加重量、时间或成本。
博士生 Daniel Ames 表示，“使用一些 3D 打印工艺（包括材料挤压和材料喷射）已经可以添加机械、光学或电气特性，但这些工艺要求将特性添加为整个体素，而不是围绕体素的薄界面，从而大大降低了吞吐量和分辨率。我们的方法使这些特性在体素尺寸的一小部分内成为可能，从而扩大了软材料的应用范围和类型。”
研究人员表示，通过嵌入具有物理属性的界面，新技术为 3D打印提供了前所未有的功能控制水平。
“界面极其重要，因为它们可以实现很多功能，”该研究的作者穆勒说。“VI3DP 有可能生产出更薄的界面、新的材料组合和集成功能，如复杂的 3D 电路、机电设备、数据嵌入复合结构和具有精确配件的现场打印机制。”
该团队计划在未来的研究中探讨这些潜在的改进。
“VI3DP 为未来的制造发展奠定了坚实的基础。我们将能够打印出以前不可能实现的复杂结构，”Ames 说道。
研究合作者包括约翰霍普金斯大学博士生 Sarah Propst 和访问高中学者 Aadarsh Shah。