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【中科院之声】多材料3D打印,让您闭门造“车”,能动的呦!
2017-10-30 | 【】【打印】【关闭】                

图1. 微纳米驱动器(图片来源于网络)

  你知道图中这个小家伙是什么吗?它是一个微纳米级小型驱动器,可用于未来的医学研究和治疗。它能够快速识别特定的病变细胞,并且,能在外部刺激下(比如光、热、磁等)进行有效的抓取。厉害吧?这种“微驱动器”是指产生能量变换与信息变换的微执行机构。它们是实现微小器件运动、微机器人自动化作业等的关键,有望应用于细小管道、高温危险区域的检测维护以及医疗等方面。

  但是,微驱动器的制备很复杂,它们由多种材料组装而成,需要在不同材料的基础上来实现不同的功能。传统的制造方法是通过模具设计,然后减材制造成型来完成,工艺设备很复杂。而且,一般的加工精度在100~200微米左右,相对较低。此外,这种制造方法还存在个性化定制困难、装配难度大、制造速度慢以及原材料浪费等诸多问题。因此,复杂结构下的多材料组合和装配,是微驱动器构筑和研究所面临的主要瓶颈问题之一。

  那么,有没有一个简便易行的解决方案呢?有,多材料3D打印制造技术。与传统的成型技术不同,3D打印技术能高度融合数字化三维模型技术,借助激光、数控等手段,通过将原料层层堆积的方式,无需采用任何模具,就可以直接实现有机高分子、金属、陶瓷等材料快速打印成型。它能够生产出传统成型工艺难以制造、甚至无法制造的复杂结构,具有个性化、快速化、一体化、高精密和节约化等特点,尤其适合单件或小批量的任意复杂结构制件的精密制造。因此,选择3D打印技术来实现微驱动器的制备具有巨大的发展潜力。

  日前,中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员带领的团队就在用3D打印技术制造微驱动器方面取得了新成果。科研人员采用多材料3D打印技术,制造了一些包含磁性和非磁性部分的分段组合的柔性驱动器。

  我们知道,柔性驱动器的组成如果全部是磁性材料,那么整个柔性器件会均匀受力进而收缩成一团,就像一堆磁力球,全都吸到一块了;而如果全部都是非磁性材料的话,那驱动器在磁场作用下就无法产生力的作用,那就像一堆塑料球,散落一地。所以,只有将两种或者多种材料组合在一起,柔性驱动器才能在特定部位、定点产生对应的磁力,进而实现发挥它的作用。

  普通的商用数字化处理(Digital Light Process,DLP)3D打印机只有一个盛放液态树脂的料槽进行光固化打印,无法进行多种材料的自由切换。因此,研究人员在料槽底部加装了一个可移动的滑轨,这样就能实现双料槽的自由切换了(如图2中动图所示)。此外,研究人员还研制了一种适用于DLP 3D打印的柔性树脂,并在柔性树脂中引入了Fe3O4纳米颗粒(如图2中的黑色部分),让它具有磁致驱动功能。

图2. 双(多)材料3D打印示意图(上)及成型件照片和电子显微镜图(下)。其中,蓝色为硬材料,黄色为软材料,黑色为磁性材料。

  因此,使用这种改进的3D打印机,以及所研制发展的柔性、磁性树脂材料,研究人员可以很好地将含有磁性和非磁性的部分进行分段组合,并一次性打印成型,实现了柔性驱动器的免装配制造(图2)。

  研究表明,这个驱动器的磁性和非磁性两种树脂之间具有很好的结合力,能够在磁场作用下进行有效的磁性驱动,从而实现弯曲、变形与运送货物等功能。

  为了验证这个概念,研究人员还用这个技术打印制作了一个能够远程控制的抓取器。这个抓取器由弧形的磁性材料(图3中黑色部分)与拱形的非磁性材料(图3中黄色部分)组成。磁性部分是产生磁力部分,而非磁性的较薄部分为整体受力弯曲点。通过调控磁场强度,就可以让抓取器的磁性部分能够自由的收缩与伸展,在此过程中实现抓取、传送以及释放的功能。

图3. 多材料3D打印柔性驱动器的磁致弯曲、变形与运送货物等功能演示。图中,黄色部分为柔性打印树脂,非磁性段;黑色部分为加入了四氧化三铁纳米颗粒的磁性树脂,磁性段。Magnet:磁铁;Deformation:形变;Match-like array:火柴状阵列结构;Gripper:抓取器。

图4 基于黑色磁性段在磁场控制下的受力发生变形、弯曲以及抓取器抓取、运送以及释放物体的过程演示。图中,当磁场强度增大时,黑色磁性头收紧,把物体抓起来,当磁场强度减小时,黑色磁性头分开,物体就被放下来

  这种简单易行、通用的多材料3D打印技术将能够很好地拓展3D打印在远程控制释放与柔性机器人等方面的应用。 

  该工作近期在线发表在 Adv. Mater. Interfaces(2017, DOI:10.1002/admi.201700629)上。工作得到了国家自然科学基金、中科院“西部之光”人才培养计划、兰州化物所特聘人才和“一三五”重点培育项目以及甘肃普锐特科技有限公司的资助和支持。

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s/flzd5ySDJYbdxj7EHp0wYw

来源:中科院之声
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