2020年6月3日，南极熊从外媒获悉，由斯图加特大学、弗吉尼亚大学和伊斯坦布尔Koc大学的研究人员组成的团队，3D打印出了具有多方向刚度梯度的多材料零件。
研究人员能够创造出一组具有不同机械和流变特性的纤维素基线材，尽管它们的成分相似，但却具有不同的机械和流变特性。然后将这些材料相互配合使用，将特定的变形曲线编程成复杂的零件。
连续渐变打印的制造工艺，图片由斯图加特大学提供
功能性梯度材料
功能性分级材料（FGMs）具有逐渐变化的成分或结构----可以是连续的或阶梯式的。这种逐渐变化的结果是 "属性梯度"，即特定的属性或特性随着成分或结构的变化而变化。在自然界中，我们经常可以看到FGM的存在。特定功能细胞或物质类型的浓度和分布会对它所处的位置的功能产生很大的影响。
在科学和工程领域，FGMs在薄膜涂层、生物医学应用、建筑学等方面都很有用。一类特殊的FGMs，如本研究所涉及的FGMs，具有不同的刚度梯度。它们通常用于分配界面处的应力，在软执行器中编程变形曲线，并影响细胞迁移率。然而，FGM的制造确实有其挑战，因为梯度的连续性和方向性的自由度在今天的技术中很难实现。
3D打印纤维素基FGMs
为了开发一种具有连续、多方向刚度梯度的可调谐粘弹性材料的3D打印新方法，团队开始工作。由于羟乙基纤维素(HEC)具有环保性，因此被选为基础材料。研究人员加入柠檬酸，将水溶液变成固体水凝胶，这样就可以挤出。他们还发现，木质素的加入明显提高了水凝胶的硬度和拉伸强度。木质素和柠檬酸作为添加剂的组合物被用来实现一系列的机械性能，并打印出了一组样品零件---所有这些零件的性能梯度都不同。
从设计到制造FGM样品的工作流程，图片来自斯图加特大学
然后生成了一个定制的G代码，专门用于在每个零件中创建精确的刚度曲线。通过精心控制的挤出，团队将梯度信息嵌入到零件的实际设计中。一旦打印出来，由于零件的几何形状的刚度变化，样品可以在独特的轮廓上进行变形。最终，研究人员在每个样品中 "编程 "了一套所需的变形几何形状。
由于刚度变化而产生的可编程变形的样品，图片来源：斯图加特大学
该研究的更多细节可以在题为 "Additive manufacturing of cellulose-based materials with continuous, multidirectional stiffness gradients "的论文中找到。该论文由P. A. G. S. Giachini、S. S. Gupta、W. Wang、D. Wood、M. Yunusa、E. Baharlou、M. Sitti和A. Menges共同撰写。
10.1126@sciadv.aay0929.pdf
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