增材制造路线图:走向智能化和工业化（2）

时间：2022-04-15 11:19 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

导读：本文探讨了AM技术研发中可能面临的挑战，为未来产业创新创业搭建关键技术平台。本文为第二部分。

5. 智能结构
         在过去的几十年里，我们见证了对智能、集成和多功能结构的日益增长的需求，这些结构需要复杂的内部配置。因此，制造难度一直是智能零部件产业化过程中最大的障碍之一。AM已经成为一种强大的技术，战略性地集成了传感、驱动、计算和通信功能。其中一个例子是最近在3D打印纤维增强复合材料方面的创新，它使得分层和中空结构的集成制造具有轻量化、高强度和低成本的优点。
        如一项实验中，可打印磷酸钙（PCaP）基油墨由颗粒和液相组成，由内部制备（下图）。对于1g可打印相，将660 mg研磨的α-磷酸三钙微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷兰莱顿）与40 mg纳米羟基磷灰石（纳米HA，粒径<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝胶前体溶液组成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交联泊洛沙姆，其末端羟基通过接枝己内酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL为1个重复单元）进行改性。
        未改性（不可交联）和改性（可交联）泊洛沙姆分别溶解在PBS和添加25 mM过硫酸铵（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，将颗粒和液相在4°C下储存30分钟，以防止泊洛沙姆组分的热凝胶化。随后，将不可交联（NC）或可交联（C）泊洛沙姆添加到颗粒中，并通过在4°C下搅拌3分钟手动混合，以确保颗粒的均匀分布。随后，将制备的非交联PCaP油墨（NC-PCaP）和交联PCaP油墨（C-PCaP）装入配药筒中，用固定帽封闭，并在4°C下储存，直至使用。

材料成分示意图，表示PCaP膏体的成分。

基于AM技术，可以构建和制作具有特殊机械性能、光学性能、声学性能或热性能的超材料。图8(a)显示了一个负泊松比的人工皮肤，可以大大提高损伤区域的恢复速度，并减少疼痛。此外，AM具有良好的材料相容性，促进了形状记忆聚合物、液晶弹性体、水凝胶等传统制造技术难以原型化的先进材料的工业化。3D打印结构传送或处理信息也被报道为新型电子。例如，金属基油墨的直接墨写和表面贴装电子元件的拾取放置已经结合在软电子器件的制造平台上(图8(b))。通过操纵电荷，提出了一种新颖的方法，将包括金属和半导体在内的功能材料置于任意3D布局中，以创建混合电子设备(图8(c))。此外，AM技术已赋予结构的传感能力，通常基于电子元件。例如，可以在多材料AM程序中制造一种具有嵌入式压阻应变传感器的组织培养装置来监测心脏组织的收缩。除了上述性能不变的结构外，4D打印工艺还可以实现对环境刺激做出动态响应的智能器件，包括可重构、可编程形状(图8(d))、刚度、光学性能等。相关的应用包括自部署装置、药物递送、体敏致动器等。

图8 具有多种功能的智能结构:(a)具有热收缩性能的人工皮肤;(b)金属墨水直接墨写与电子元件拾取相结合的AM平台;(c)导电和功能材料的电荷编程AM;(d) 形状可变换结构的4D打印。

尽管建造智能结构的AM技术发展迅速，但仍有一些挑战需要克服，如图9所示。

(1) 除了3D和4D打印，AM系统现在正致力于融合不同的物理领域，并基于有效结合的传感和驱动能力，为复杂的多尺度结构提供动态响应的n维(nD)打印。

(2) AM兼容材料库应扩展到包括更多独特的功能，并迫切需要智能AM工艺和设备来精确制造这些材料的多材料结构。开发高精度喷嘴和提高不同材料间的界面兼容性是研究的重点。

(3)由于未来的工作环境可能包括外层空间、深海、火山等，3D打印结构应该在极端条件下具有鲁棒性和多物理领域的适应性。因此，在结构设计之初，应考虑不同的工作条件。通过解决这些困难，AM正朝着集现场诊断、柔性控制、全生命周期设计和自动原型设计于一体的智能系统发展。

图9 AM技术在开发智能结构方面遇到的挑战

(责任编辑：admin)

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