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近年来，许多大学研究项目一直在通过增材制造开发多功能材料。例如，在医疗领域，创造能够再生器官或骨骼结构的织物并设计先进的生物医学设备非常重要。与此同时，其他行业正在创造新的 3D 打印材料，提供广泛的潜在应用。为了证明这一点，Alice Fergerson 和由 Emily Davidson 领导的普林斯顿大学的工程师团队开发了一种能够采用不同柔韧性水平的塑料材料。这种材料由一类称为 TPE 的聚合物组成，能够设计和制造刚度可调的柔性 3D 打印结构。得益于 3D 打印，工程师们已经能够控制这种材料的物理特性，使织物能够在一个方向上反复拉伸和弯曲，同时在另一个方向上保持刚度。
塑料材料的特点
普林斯顿大学工程团队选择的热塑性弹性体是一种嵌段共聚物，熔化后可以成型。当它冷却时，它会凝固形成弹性结构。这种现象可以通过共聚物内部成分的行为来解释，这些成分由均聚物组成，它们像油和水一样分离而不是混合。研究人员利用这一特性创造了一种由分散在弹性基体中的刚性圆柱体组成的材料，使材料能够在保持其内部特性的同时保持柔韧性。
这种塑料材料的刚性圆柱形结构厚度为 5 至 7 纳米，并嵌入弹性聚合物基体中。就上下文而言，人类头发的直径约为 90,000 纳米，而 DNA 螺旋约为 1 纳米。研究人员还研究了打印速度和受控材料挤出如何调节打印材料的物理特性。得益于 3D 打印，圆柱体可以在纳米级定向，从而创造出一种提供局部刚度的材料，同时保持柔软的弹性区域。
其自我修复特性
这个过程最有趣的方面在于塑料材料的热退火及其自愈特性。Fergerson 解释说，热退火可显著改善材料在打印后的性能。这个过程使实验室打印的物体可以多次重复使用，如果损坏，甚至可以自行修复。为了证明这些自我修复特性，研究人员从打印材料中切割了一个柔性样品，并通过退火对其进行修复。根据他们的观察，修复后的材料与原来的没有明显差异。Davidson 指出，在其他环境中使用的类似材料价格昂贵且需要复杂的加工，例如受控挤出后进行紫外线处理。这些材料的成本约为每克 2.50 美元。相比之下，该项目中使用的热塑性弹性体每克成本仅为 1 美分左右，并且可以使用商用 3D 打印机打印。这使得该材料不仅经济，而且可用于低成本打印解决方案。
该项目的主要目标之一是开发具有局部可调机械性能的软材料，同时为工业采用经济高效且易于扩展的方法。Davidson 认为，这种设计先进软材料的方法可以在各个领域都有应用，例如软机器人、医疗设备、假肢和高性能定制鞋底。研究团队的下一步将是创建新的 3D 可打印架构，与可穿戴电子设备和生物医学设备等应用兼容。
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