供稿人：王子瑤 魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-03-19
1、熔融沉積成型(FDM)
FDM是一種基于擠壓的AM方法，如圖1a所示。燈絲由電動(dòng)或液壓馬達(dá)控制的捏輥送至噴嘴。然后，燈絲被加熱到熔融狀態(tài)，在機(jī)械力的幫助下通過噴嘴頭擠壓到平臺(tái)上，形成2D層，隨后的2D層被擠壓在前一層之上，形成3D結(jié)構(gòu)。每一層的擠壓和沉積聚合物通過結(jié)晶、鏈定向或重排、非共價(jià)鍵的恢復(fù)或化學(xué)交聯(lián)等機(jī)制進(jìn)行凝固。FDM是目前最流行的3D打印方法之一，因?yàn)槠涑杀镜秃秃唵蔚娘@著優(yōu)勢。FDM方法可用于各種聚合物和復(fù)合材料的4D打印。最常用的兩種材料是聚乳酸(PLA)和聚氨酯(PU)。熱塑性聚乳酸是一種半晶形狀記憶聚合物。為了提高PLA的形狀恢復(fù)能力，Liu等。使用碳納米管(CNTs)增強(qiáng)PLA (CNT/PLA)細(xì)絲打印角度鋪層和矩形編織預(yù)制件，如圖1b所示。
圖1. (a)典型FDM擠壓系統(tǒng)示意圖。[41]版權(quán)2020。經(jīng)施普林格Nature許可轉(zhuǎn)載;(b) CNT/PLA預(yù)制件的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和μ-CT圖像。[42]版權(quán)所有2019年。Elsevier Science Ltd.授權(quán)轉(zhuǎn)載。
2、直寫成型技術(shù)(DIW)
DIW是另一種基于擠壓的AM方法，它涉及通過注射器擠壓油墨。粘彈性油墨通過噴嘴在壓力下擠出，然后移動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)膠機(jī)，一層一層地構(gòu)建幾何圖形，如圖2a所示。印刷結(jié)構(gòu)的擠出效率和質(zhì)量在很大程度上取決于所采用聚合物油墨的粘彈性特性和固化過程，因此材料和印刷參數(shù)的精心設(shè)計(jì)和選擇非常關(guān)鍵。需要測量流變性能(粘度、屈服應(yīng)力和彈性模量)來確定油墨的可打印性窗口。
通常DIW需要進(jìn)行后處理，如光聚合或熱固化。油墨可以由聚合物和膠體懸浮液配制而成?？梢约尤敫鞣N小分子和/或納米填料來引入/誘導(dǎo)/增強(qiáng)反應(yīng)性。Wei等人使用UV交聯(lián)PLA基油墨進(jìn)行DIW4D打印。聚乳酸溶解在二氯甲烷中，引入二苯甲酮(BP)和四氧化三鐵分別實(shí)現(xiàn)形狀記憶和遠(yuǎn)程響應(yīng)特性，如圖2b所示。
圖2. (a)典型DIW工藝示意圖。版權(quán)2020轉(zhuǎn)載經(jīng)John Wiley & Sons, Inc.許可;(b) UV交聯(lián)聚合物基油墨的擠出和相應(yīng)的UV交聯(lián)反應(yīng)示意圖，版權(quán)所有2017，經(jīng)美國化學(xué)會(huì)許可轉(zhuǎn)載
3、光學(xué)印刷方法
SLA是工業(yè)上最早實(shí)現(xiàn)的3D打印方法之一，最小特征尺寸為50 μm。SLA通常使用光束光聚合和交聯(lián)光固化單體，包含在前驅(qū)體溶液罐中，進(jìn)入固化聚合物網(wǎng)絡(luò)。在其他情況下，SLA還可以光交聯(lián)大單體。在約束應(yīng)變表面SLA中，位于缸下方的激光被聚焦在前體溶液上，并在焦點(diǎn)處發(fā)生選擇性光聚合和交聯(lián)，如圖3a所示。而在自由表面SLA中，激光被放置在缸上方，固化物體向下被拖入樹脂槽中。鏡子的移動(dòng)允許掃描溶液，以確定凝固和形成一層的位置，一旦一層樹脂在平臺(tái)上完全凝固，平臺(tái)收縮，新的一層樹脂被引入。
DLP也是一種基于光的打印方法，但它可以通過使用投影機(jī)發(fā)出的光一次固化一整層單體，如圖3b所示，因此DLP可以獲得更快的打印和生產(chǎn)，速度高于SLA，但通常打印分辨率較低。采用數(shù)字微鏡裝置或液晶顯示器作為動(dòng)態(tài)掩模，并將掩模圖案投射到液體樹脂上，實(shí)現(xiàn)了高速度。與FDM等其他3D打印方法相比，SLA和DLP在相同的打印速度下具有更高的打印分辨率，盡管在樹脂損耗和打印成本方面它們都較低。
圖3. (a)具有代表性的約束曲面SLA;(b) DLP過程示意圖。
4、選擇性激光燒結(jié)(SLS)
SLS是一種基于粉末的3D打印技術(shù)，它利用連續(xù)或脈沖激光束提高粉末的溫度，將固體粉末轉(zhuǎn)化為半液體狀態(tài)，將粉末按預(yù)先設(shè)計(jì)好的分層結(jié)構(gòu)粘在一起，然后降低建筑平臺(tái)和新的粉末臺(tái)為下一個(gè)循環(huán)燒結(jié)軋制，如圖4a所示。對于SLS，為了提高物料在粉床上的有效擴(kuò)散，原料應(yīng)以適當(dāng)粒度(最好在10-150 μm)和熔體流動(dòng)指數(shù)的粉末形式存在。SLS打印機(jī)在打印過程中不需要輔助支架結(jié)構(gòu)支撐，因?yàn)槲礋Y(jié)的粉末可以作為打印部分的支撐。因此，SLS的處理速度通常比SLA和FDM快。
受聚合物粉末制備技術(shù)的限制，只有少數(shù)幾種聚合物材料，如PA、熱塑性聚氨酯(TPU)和PDMS可以通過SLS技術(shù)用于4D打印。Ploszajski等使用PA12粉末用SLS打印出可編程的鏈甲結(jié)構(gòu)，然后將打印出來的部分浸入鐵磁流體中進(jìn)行后處理。從鐵磁流體中取出后，所有零件在90°C的烤箱中干燥48小時(shí)，使PA零件被干燥的鐵磁流體(4.4 wt.%)覆蓋，以獲得磁性功能化鏈甲(Fe-mail)。沒有外部磁場但一端固定的鐵郵件向下下垂。但在垂直于Fe-mail末端的外加磁場作用下，F(xiàn)e-mail被驅(qū)動(dòng)成剛性的水平結(jié)構(gòu)(圖4b)。
圖4.(a) SLS打印原理圖。(b)非驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的Fe -mail和主動(dòng)加勁腕撐示意圖。