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大连理工大学孙吉宁教授、张磊副教授 Addit. Manuf.: 通过微结构丝材堆叠直接3D打印功能性表面
2023-12-24  来源:高分子科技

  3D打印技术可克服传统减材制造工艺对于复杂几何轮廓加工的限制,可实现复杂几何构件一体化成型制造。然而,高性能产品不仅需要合理的结构设计,还需要特定的表面微结构,以实现抗污染、抗腐蚀、减阻等先进功能。目前,熔融沉积成型(FDM)打印产品通常需要采取复杂的后处理操作在产品表面制备微结构赋予产品先进功能,这极大地影响制造效率以及产品加工精度。因此,FDM技术亟待解决产品与微结构表面同步制造的挑战。



  近日,大连理工大学机械工程学院孙吉宁教授、张磊副教授团队提出了一种基于FDM在线3D打印策略,可实现微结构物体直接制造,无需复杂的后处理操作。该技术利用微沟槽打印喷嘴挤出微结构的丝材,通过调整打印参数和喷嘴内壁微沟槽几何形状和尺寸,可以调控挤出丝材表面微结构的尺寸和形貌。该方法可在挤出丝材表面形成三角形、钟形、梯形等形貌的微结构。聚合物熔体挤出过程中的粘弹性会显著影响微结构的尺寸。采用Bird-Carreau模型描述了聚合物熔体挤出过程中微结构形貌地演变过程,并验证了该技术与传统FDM 3D打印技术的兼容性。基于该技术打印各项异性润湿表面,在不同方向材料水接触角差异由传统FDM打印表面的23°增加到了79°。该技术提供了一种新的3D打印范式,为克服当前FDM 3D打印技术在制造先进功能产品的局限性提供了一种新的思路,有望推动3D打印技术的发展,助力智能微流控器件、多功能组织工程支架和高性能传感器的制造产生。 


1 FDM打印微结构表面示意图。 


图2 打印参数和微沟槽尺寸对微结构高度的影响。
 

图3 微沟槽形状对挤出丝材表面微结构的影响。
 

图4 有限元分析几何模型和边界条件。
 

图5 微结构演变过程分析。
 

图6 不同材料的兼容性
 

图7 微结构丝材形貌。

图8 FDM打印微结构表面形貌


9 微结构表面润湿性。


  该项成果以“Direct 3D printing functional surfaces stacked with microstructured filaments”为题发表在《Additive manufacturing》期刊上。大连理工大学博士研究生韩云龙为本论文第一作者,通讯作者为大连理工大学孙吉宁教授和张磊副教授。该研究工作得到了大连理工大学科研启动基金以及国家自然青年科学基金的资助。


  先进表面制造团队(ASM Lab)围绕重大装备核心零部件的表面功能化与界面力学调控等主要科学问题,利用超精密加工、聚焦离子束加工、飞秒激光加工、化学接枝改性、离子注入改性、噬箘体展示等技术手段,在原子及近原子尺度对材料表面的物理结构与化学组分进行按需调控,从而赋予装备表面拒液性、防覆冰、耐磨损、耐腐蚀、抗生物附着、光电磁通导等先进物理化学特性。依托已有平台,课题组已获得多项标志性研究成果,其中包含微织构减阻表面制造技术、拒液耐污表面制造技术、高导电碳毡电极加工制造技术、特异性分子检测光纤制造技术等,以上成果有望应用于机械减摩、油气运输、液流储能、风力发电、分子诊断等先进技术领域。



  课题组主页:http://team.dlut.edu.cn/ASM_Lab/zh_CN/index.htm


  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103900

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(责任编辑:xu)
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