約翰霍普金斯大學通過VI3DP技術克服3D打印結構脆弱性挑戰(zhàn)

2024年12月14日，南極熊獲悉，約翰霍普金斯大學惠廷工程學院的研究團隊成功開發(fā)了一種名為體素界面3D打印（VI3DP）的新技術，該技術通過精確控制材料之間的界面，解決了3D打印中層與層之間的粘附問題。相關研究已發(fā)表在期刊《先進材料》上。

△研究題目為“多材料擠壓3D打印中的體素界面控制”

約翰霍普金斯大學惠廷工程學院的土木與系統(tǒng)工程系助理教授Jochen Mueller教授指出：“在傳統(tǒng)的3D打印過程中，界面問題導致的缺陷是一個長期存在的問題。材料要么過于緊密地粘合，要么粘合不足，這使得打印出的結構存在弱點。這就好比烹飪后的意大利面條，它們可能粘在一起，但又容易分開，從而造成缺陷，限制了3D打印產品的功能性�！�

△VI3DP配備標準噴嘴的打印頭，該噴嘴周圍環(huán)繞著四個附加噴嘴

研究團隊的創(chuàng)新之處在于開發(fā)了一種新的打印方法，它允許對體素（三維空間中的像素）之間的界面進行精確控制，并定制功能特性，包括粘附力等。VI3DP技術使用了一個標準的打印噴頭，周圍配備了四個附加的噴嘴。當標準噴嘴沉積材料時，附加噴嘴會同步在上面添加一層不同材料的薄膜。這使得在單材料和多材料的3D打印中，可以精確控制和定制每一條3D打印線之間的接口，而無需額外的打印頭，同時避免在打印物體上留下不必要的間隙或特征。

△當標準噴嘴沉積材料時，額外的噴嘴在頂部添加不同材料的薄膜。每條線都是可控制和定制。消除了對多個打印頭的需求和不必要的間隙

3D打印的多功能集成與性能提升

除了制作更堅固的打印件外，VI3DP還開辟了一系列新應用。在研究中，該團隊展示了如何將光學、機械和電氣特性集成到界面中，所有這些都在一次打印中完成，而且不會增加重量、時間或成本。

博士生Daniel Ames指出：“雖然目前一些3D打印技術，如材料擠壓和材料噴射，已經能夠添加機械、光學或電氣特性，但這些方法通常將特性應用于整個體素，而非體素的薄界面。這不僅降低了生產效率，也限制了分辨率。我們的VI3DP方法使得這些特性能夠在體素尺寸極小的界面范圍內實現(xiàn)，從而極大地擴展了軟材料的應用范圍和類型�！�

△研究人員通過VI3DP技術可以很容易地整合光學、機械和電學特性

研究的主要作者Mueller教授強調：“界面在3D打印中至關重要，因為它們能夠實現(xiàn)多種功能。VI3DP技術有潛力制造出更薄的界面、全新的材料組合，以及集成功能，如復雜的3D電路、機電設備、數(shù)據(jù)嵌入復合結構以及具有精確配件的現(xiàn)場打印機制�！�

研究團隊計劃在未來的項目中深入探索這些潛在的改進。Ames博士展望道：“VI3DP技術為未來的制造領域奠定了堅實的基礎。我們即將能夠打印出前所未有的復雜結構，開啟3D打印技術的新篇章�！�

這項技術的開發(fā)預示著3D打印領域的一個重要進步，它不僅能夠提高打印對象的性能和可靠性，還為定制化打印對象的行為提供了新的可能性。VI3DP技術的出現(xiàn)，有望推動3D打印技術在多個應用領域的發(fā)展，包括醫(yī)療、航空航天、建筑和制造業(yè)等。