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大連理工大學(xué)孫吉寧教授、張磊副教授 Addit. Manuf.: 通過微結(jié)構(gòu)絲材堆疊直接3D打印功能性表面
2023-12-24  來源:高分子科技

  3D打印技術(shù)可克服傳統(tǒng)減材制造工藝對于復(fù)雜幾何輪廓加工的限制,可實現(xiàn)復(fù)雜幾何構(gòu)件一體化成型制造。然而,高性能產(chǎn)品不僅需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,還需要特定的表面微結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)抗污染、抗腐蝕、減阻等先進(jìn)功能。目前,熔融沉積成型(FDM)打印產(chǎn)品通常需要采取復(fù)雜的后處理操作在產(chǎn)品表面制備微結(jié)構(gòu)賦予產(chǎn)品先進(jìn)功能,這極大地影響制造效率以及產(chǎn)品加工精度。因此,FDM技術(shù)亟待解決產(chǎn)品與微結(jié)構(gòu)表面同步制造的挑戰(zhàn)。



  近日,大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院孫吉寧教授、張磊副教授團(tuán)隊提出了一種基于FDM在線3D打印策略,可實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)物體直接制造,無需復(fù)雜的后處理操作。該技術(shù)利用微溝槽打印噴嘴擠出微結(jié)構(gòu)的絲材,通過調(diào)整打印參數(shù)和噴嘴內(nèi)壁微溝槽幾何形狀和尺寸,可以調(diào)控擠出絲材表面微結(jié)構(gòu)的尺寸和形貌。該方法可在擠出絲材表面形成三角形、鐘形、梯形等形貌的微結(jié)構(gòu)。聚合物熔體擠出過程中的粘彈性會顯著影響微結(jié)構(gòu)的尺寸。采用Bird-Carreau模型描述了聚合物熔體擠出過程中微結(jié)構(gòu)形貌地演變過程,并驗證了該技術(shù)與傳統(tǒng)FDM 3D打印技術(shù)的兼容性;谠摷夹g(shù)打印各項異性潤濕表面,在不同方向材料水接觸角差異由傳統(tǒng)FDM打印表面的23°增加到了79°。該技術(shù)提供了一種新的3D打印范式,為克服當(dāng)前FDM 3D打印技術(shù)在制造先進(jìn)功能產(chǎn)品的局限性提供了一種新的思路,有望推動3D打印技術(shù)的發(fā)展,助力智能微流控器件、多功能組織工程支架和高性能傳感器的制造產(chǎn)生。 


1 FDM打印微結(jié)構(gòu)表面示意圖。 


圖2 打印參數(shù)和微溝槽尺寸對微結(jié)構(gòu)高度的影響。
 

圖3 微溝槽形狀對擠出絲材表面微結(jié)構(gòu)的影響。
 

圖4 有限元分析幾何模型和邊界條件。
 

圖5 微結(jié)構(gòu)演變過程分析。
 

圖6 不同材料的兼容性
 

圖7 微結(jié)構(gòu)絲材形貌。

圖8 FDM打印微結(jié)構(gòu)表面形貌


9 微結(jié)構(gòu)表面潤濕性。


  該項成果以“Direct 3D printing functional surfaces stacked with microstructured filaments”為題發(fā)表在《Additive manufacturing》期刊上。大連理工大學(xué)博士研究生韓云龍為本論文第一作者,通訊作者為大連理工大學(xué)孫吉寧教授和張磊副教授。該研究工作得到了大連理工大學(xué)科研啟動基金以及國家自然青年科學(xué)基金的資助。


  先進(jìn)表面制造團(tuán)隊(ASM Lab)圍繞重大裝備核心零部件的表面功能化與界面力學(xué)調(diào)控等主要科學(xué)問題,利用超精密加工、聚焦離子束加工、飛秒激光加工、化學(xué)接枝改性、離子注入改性、噬箘體展示等技術(shù)手段,在原子及近原子尺度對材料表面的物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分進(jìn)行按需調(diào)控,從而賦予裝備表面拒液性、防覆冰、耐磨損、耐腐蝕、抗生物附著、光電磁通導(dǎo)等先進(jìn)物理化學(xué)特性。依托已有平臺,課題組已獲得多項標(biāo)志性研究成果,其中包含微織構(gòu)減阻表面制造技術(shù)、拒液耐污表面制造技術(shù)、高導(dǎo)電碳?xì)蛛姌O加工制造技術(shù)、特異性分子檢測光纖制造技術(shù)等,以上成果有望應(yīng)用于機(jī)械減摩、油氣運輸、液流儲能、風(fēng)力發(fā)電、分子診斷等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。



  課題組主頁:http://team.dlut.edu.cn/ASM_Lab/zh_CN/index.htm


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103900

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