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

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



  近日,大連理工大學機械工程學院孫吉寧教授、張磊副教授團隊提出了一種基于FDM在線3D打印策略,可實現微結構物體直接制造,無需復雜的后處理操作。該技術利用微溝槽打印噴嘴擠出微結構的絲材,通過調整打印參數和噴嘴內壁微溝槽幾何形狀和尺寸,可以調控擠出絲材表面微結構的尺寸和形貌。該方法可在擠出絲材表面形成三角形、鐘形、梯形等形貌的微結構。聚合物熔體擠出過程中的粘彈性會顯著影響微結構的尺寸。采用Bird-Carreau模型描述了聚合物熔體擠出過程中微結構形貌地演變過程,并驗證了該技術與傳統FDM 3D打印技術的兼容性;谠摷夹g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FDM打印表面的23°增加到了79°。該技術提供了一種新的3D打印范式,為克服當前FDM 3D打印技術在制造先進功能產品的局限性提供了一種新的思路,有望推動3D打印技術的發展,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生。 


1 FDM打印微結構表面示意圖。 


圖2 打印參數和微溝槽尺寸對微結構高度的影響。
 

圖3 微溝槽形狀對擠出絲材表面微結構的影響。
 

圖4 有限元分析幾何模型和邊界條件。
 

圖5 微結構演變過程分析。
 

圖6 不同材料的兼容性
 

圖7 微結構絲材形貌。

圖8 FDM打印微結構表面形貌


9 微結構表面潤濕性。


  該項成果以“Direct 3D printing functional surfaces stacked with microstructured filaments”為題發表在《Additive manufacturing》期刊上。大連理工大學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科研啟動基金以及國家自然青年科學基金的資助。


  先進表面制造團隊(ASM Lab)圍繞重大裝備核心零部件的表面功能化與界面力學調控等主要科學問題,利用超精密加工、聚焦離子束加工、飛秒激光加工、化學接枝改性、離子注入改性、噬箘體展示等技術手段,在原子及近原子尺度對材料表面的物理結構與化學組分進行按需調控,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、光電磁通導等先進物理化學特性。依托已有平臺,課題組已獲得多項標志性研究成果,其中包含微織構減阻表面制造技術、拒液耐污表面制造技術、高導電碳氈電極加工制造技術、特異性分子檢測光纖制造技術等,以上成果有望應用于機械減摩、油氣運輸、液流儲能、風力發電、分子診斷等先進技術領域。



  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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