江蘇鐳射聯盟導讀：
透過3D列印進行可定製物件製造為個性化需求提供了巨大的希望，它可以改善我們日常生活中使用的相關裝置和工具的合身性、效能和舒適性。但是，3D列印在結構物件中的應用受到其較差的機械效能的限制，這從製造零件的逐層過程中可以看出。來自美國阿克倫大學的研究團隊在ACS Applied Materials＆Interfaces上發表的成果表明對原材料進行簡單的修改可以提高這些可印刷塑膠的韌性。
圖形摘要
3D列印已成為開發新設計和概念的快速原型製作的關鍵要素，但是，由於3D列印的功能物件的生產受到高效能原料的可用性和對拓撲最佳化的瞭解不足而受到限制。大多數用於列印塑膠零件的技術都是逐層構建的，這導致了這些內部介面類似於焊接線，這限制3D列印零件的效能。儘管在零件製造過程中面臨著介面強度方面的挑戰，但在過去十年中仍取得了重大進展，特別是在針對患者需求的個性化醫療裝置的潛力方面。這些範圍從模型到複雜的輔助外科手術到骨骼支架和軟組織工程。除了具有生物醫學潛力外，3D列印還具有輕量化的優點，它可以打印出效能優於標準材料的細胞固體，以及生成具有高階功能的複雜、多元件物件的能力，例如柔軟的自主機器人。對於塑膠材料，人們一直在努力提高所列印材料的功能。其中包括最高工作溫度的提高、彈性的提高、剛度的提高和印刷零件的響應性。特別是響應性材料可以進行四維印刷，這代表了自適應結構的新範例。同樣，由3D列印實現的功能已被用於生產輕質超材料，這些超材料具有獨特的效能，包括負熱膨脹係數。但是，在3D列印零件的機械效能受到限制的情況下，列印方法往往仍然存在侷限性不如傳統的製造方法。因為這種多功能性受到印刷零件的強度和耐用性的限制。這些物件中的大多數都是分層印刷的，這自然會導致各層相遇的薄弱部位。因此，3D列印物體的強度不如透過將塑膠注入模具的現有方法制成的物體強。
聚合物3D列印的一種常用技術是熔融長絲製造(fused filament fabrication, FFF)，其中熱塑性長絲透過光柵熱端快速熔化並沉積在構建階段，以逐層方式構建零件。該技術依賴於沉積的熔融聚合物熔化下層以產生可行的介面，而必須限制熔融聚合物的流動以防止零件變形。這些要求的正交性導致了形狀精度與零件機械效能之間的權衡。FFF的大部分工作都集中在嘗試最佳化加工條件以在3D加工中產生最佳機械效能方面。但通常比可比較的注塑成型件差一個數量級。迄今為止，大多數改善FFF零件效能的努力都集中在使用新型聚合物和印表機的工程設計上，但是這些方法未能解決FFF固有的潛在缺陷，即層間介面不佳。尤其是，這些3D列印部件的衝擊性能很差，這限制了它們在苛刻應用中的使用。
在這裡，來自美國阿克倫大學的研究團隊描述了一種新穎的方法，該方法透過使用核-殼結構細絲的材料設計方法直接解決了薄弱的介面問題。這些長絲透過高玻璃化轉變溫度（Tg）芯（可增強印刷形狀的“剛性骨架”）和低Tg殼（可改善聚合物相互擴散），克服了形狀精度與機械效能之間的一般權衡問題 在相鄰的印刷層之間。
研究人員製造的這種結構化核-殼聚合物長絲，其中聚碳酸酯纖芯充當支撐和增強3D列印形狀的剛性骨架。圍繞聚碳酸酯芯的烯烴離聚物殼改善並增強了印刷層之間的連線。在測試過程中，與沒有細絲的零件不同，帶有細絲的印刷零件可以承受衝擊而不會破裂。新的燈絲使3D列印零件更接近於通過當前方法制造的零件的強度。
▲圖1. (A). 製造PC@Surlyn核-殼細絲的共擠工藝示意圖；(B). 圖解說明FFF對核殼進行3D列印的示意圖；(C). 3D列印的核-殼（PC @ 45％Surlyn）物件的X射線斷層掃描，以說明列印部分中絲狀結構的維護。Surlyn（亮）相對於PC（暗）的低電子密度提供了對比，以區分X射線的成分。
▲圖2. (A) PC @ 45％Surlyn衝擊試驗後，在XY方向列印的缺口區域的X射線μCT影象；(B) SEM顯微照片顯示了PC纖維在裂紋前沿（黑色虛線區域）的彎曲。(C)在缺口中心的橫截面的X射線μCT影象顯示了裂紋前緣的剩餘PC纖維，而Surlyn則已分層。
▲圖4. 對於3D列印的核-殼樣品，其XZ方向（左）側檢視和（右）橫截面的X射線μCT影象，X方向為(A)PC@25％Surlyn, (B)PC @ 45％的素林，和(C)PC @55％的Surlyn。
▲圖7. SEM顯微照片顯示了3D列印零件的拉伸斷裂表面，這些零件來自(A)PC, (B)Surlyn和(C)具有45％Surlyn的核-殼的細絲。單組分長絲的零件斷裂表面相當乾淨，而PC@Surlyn長絲導致的表面讓人聯想到纖維增強複合材料。
與單個元件相比，這種結構化的長絲可提高尺寸精度和抗衝擊性。含有45％體積殼的結構化長絲的抗衝擊性可以超過800 J/m。這種改進的抗衝擊性的起源是使用X射線微計算機斷層掃描進行探測的。殼層從裂紋尖端附近的PC處脫層，從而消散了能量，而PC保持完好無損，可以在撞擊後為零件提供穩定性。這種結構化的長絲極大地改善了製造的關鍵效能，並代表了3D列印零件可獲得的衝擊性能的重大飛躍。
本文來源：Fang Peng et al. Enhanced Impact Resistance of Three-Dimensional-Printed Parts with Structured Filaments, ACS Applied Materials & Interfaces (2018). DOI: 10.1021/acsami.8b00866