功能梯度材料（FGM）允許在從生物醫(yī)學(xué)到建筑學(xué)的多學(xué)科領(lǐng)域中進(jìn)行多種應(yīng)用。然而，它們的制造相對于梯度連續(xù)性，界面彎曲和方向自由性而言是乏味的。

大多數(shù)商業(yè)設(shè)計軟件不包含屬性梯度數(shù)據(jù)，這妨礙了對適合FGM的設(shè)計空間的探索。在有關(guān)科學(xué)進(jìn)展的新報告中，佩德羅·阿格斯·賈奇尼（Pedro AGS Giachini）和美國。

德國和土耳其的建筑與城市規(guī)劃，物理情報和醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計了材料工程和數(shù)字處理的組合方法。該方法促進(jìn)了基于擠壓的多材料的纖維素基可調(diào)諧粘彈性材料的增材制造。

用于打印連續(xù)漸變的制造過程示意圖。（A）印刷溶液的制備示意圖。將粉末狀的羥乙基纖維素（HEC）溶解在水中，并在燒杯中與添加劑混合，然后轉(zhuǎn)移到注射器中。（B）控制系統(tǒng)圖和3D打印系統(tǒng)示意圖。左圖顯示了通過反饋回路同步（I）擠出系統(tǒng)和（III）定位系統(tǒng)的通信工作流程。3D打印系統(tǒng)（右）由（I）擠出系統(tǒng)（一個或兩個注射泵），（II）儲液罐（注射器）和（III）定位系統(tǒng)（定制的低成本3D打印機(jī)TEVO Tarantula i3）組成。輸送管（IV）配有擠出頭，可輸送打印溶液并將溶液的細(xì)絲沉積在打印平臺（V）上。（C）顯示沉積后長絲混合的插圖。相鄰的細(xì)絲通過分子尺度上的擴(kuò)散相互融合，從而形成無縫的物體和連續(xù)的漸變。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0929

結(jié)構(gòu)保持連續(xù)，高對比度和多維剛度梯度。Giachini等。建立了一種方法來工程化具有相似組成但具有不同機(jī)械和流變特性的纖維素基材料。

該團(tuán)隊還并行開發(fā)了數(shù)字工作流程，以將梯度信息嵌入具有集成制造路徑計劃的設(shè)計模型中。

該團(tuán)隊結(jié)合了物理和數(shù)字工具，可以通過多種途徑獲得類似的剛度梯度，從而實(shí)現(xiàn)了以前僅限于材料和幾何形狀剛性耦合的開放設(shè)計可能性。

功能梯度材料（FGM）可以連續(xù)，逐步的方式逐漸改變成分或結(jié)構(gòu)，從而改變復(fù)合材料的性能。

材料設(shè)計的原理類似于許多自然存在的基材，其構(gòu)造是為了滿足多種需求，有時在包括薄膜涂層，生物醫(yī)學(xué)工程和建筑學(xué)在內(nèi)的各個領(lǐng)域存在沖突的設(shè)計要求。

FGM可以更好地在界面處分配應(yīng)力，對軟執(zhí)行器進(jìn)行編程變形并影響細(xì)胞遷移的速度。

印刷溶液的流變性。（A）左側(cè)的示意圖顯示了由于物理粘合而導(dǎo)致的打印溶液的凝膠化。右邊的剪切模量與時間的關(guān)系圖顯示了在?5800 s處發(fā)生的膠凝點(diǎn)。按照慣例，膠凝點(diǎn)被定義為在HEC種類最初溶解之后儲能模量G’變得大于損耗模量G”的時間點(diǎn)。（B）示出了膠凝時間與印刷溶液的pH的函數(shù)關(guān)系的圖。通過添加不同量的CA來調(diào)節(jié)pH。誤差棒表示三個試驗(yàn)的SD。該圖揭示了最高的膠凝點(diǎn)，因此最長的印刷時間窗口，在?3.0的pH值下發(fā)生。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0929

結(jié)合材料工程和數(shù)字處理作為FGM的制造方法，用于構(gòu)造性和大眾運(yùn)輸過程以創(chuàng)建連續(xù)的梯度。他們通過纖維素衍生物的工程解決方案來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以提供可控的擠出性能。

同時提供可調(diào)節(jié)的粘彈性，同時使用數(shù)字工作流程將梯度信息嵌入設(shè)計中，并生成自定義的G代碼以控制操作系統(tǒng)[三維（3- D）打印機(jī)和注射泵]。

該團(tuán)隊使用了不同成分和橫截面的細(xì)絲，以促進(jìn)分子在細(xì)絲邊界上的擴(kuò)散并產(chǎn)生連續(xù)的梯度。

他們強(qiáng)調(diào)了將材料工程與定制制造技術(shù)以及環(huán)保和豐富的基于生物聚合物的制造材料相結(jié)合的重要性。

通過設(shè)計這樣的物理和數(shù)字工具，該團(tuán)隊將能夠通過多種方法創(chuàng)建多維和連續(xù)的剛度梯度，從而擴(kuò)大FGM的設(shè)計可能性。

選擇羥乙基纖維素（HEC）; 纖維素的增稠和膠凝衍生物，因?yàn)樗鼰o毒，可生物降解且對環(huán)境友好。HEC的膠凝點(diǎn)發(fā)生在96分鐘，從水溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w水凝膠。

科學(xué)家優(yōu)化了溶液參數(shù)，以最大程度降低溶液粘度。當(dāng)他們添加檸檬酸（CA）對于溶液，膠凝速率減慢最大，以獲得令人滿意的擠出一致性。

然后，研究小組對印刷材料進(jìn)行了表征，以了解添加劑的作用，其中添加木質(zhì)素會顯著提高剛度和拉伸強(qiáng)度，而添加CA則會降低這些機(jī)械性能。

木質(zhì)素和CA差分溶液的組合提供了多種機(jī)械特性，以打印具有特性梯度的對象。

然后，研究小組注意到隨著相對濕度的增加，剛度降低，打印樣品的尺寸和重量增加，他們探索了涉及變形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

在從設(shè)計到制造的工作流程中，團(tuán)隊將幾何模型與梯度數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，以創(chuàng)建FGM數(shù)據(jù)并生成制造代碼。

作為此工作流程的平臺，他們使用了Grasshopper；在3D建模軟件Rhinoceros 3-D中嵌入的可視化編程界面。該

團(tuán)隊通過疊加層，改變材料的數(shù)量及其組成來改變制造參數(shù)，以創(chuàng)建感興趣的漸變對象。

具有較低粘度的材料的流動性提供了物體的連續(xù)性，而更具粘性的混合物則離散地改變了剛度。

對比材料之間的擴(kuò)散確保了層間的連續(xù)性，以創(chuàng)建具有圖案增強(qiáng)材料的連續(xù)且柔韌的材料片。沉積速度取決于注射泵的擠出速度和打印機(jī)噴嘴的速度。

將這些制造參數(shù)嵌入到幾何數(shù)據(jù)中，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為制造命令，以協(xié)調(diào)材料的分布，探索材料流動并允許相等的沉積路徑來制造具有不同幾何剛度的物體。

他們設(shè)計了混合比數(shù)據(jù)，以翻譯成可修改注射泵擠出速率的制造代碼，并開發(fā)了一種計算策略來優(yōu)化沉積路徑，以應(yīng)對設(shè)置挑戰(zhàn)。

使用梯度優(yōu)化路徑制造的樣品在沉積后立即顯示出更高的材料對比度。該團(tuán)隊使用已開發(fā)的策略在本地和全球范圍內(nèi)調(diào)整了梯度。

他們根據(jù)材料的楊氏模量調(diào)整了局部剛度，以控制材料的分布并影響對象的變形。例如，Giachini等。通過沿特定方向或圖案分配剛度，使材料承受外力以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的變形行為。

利用外力生成初始平面物體的最終形狀的方法將使設(shè)計人員能夠利用簡化的2D制造策略并避免復(fù)雜的3D工藝。

該方法將在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計， 探索平面物體的彈性彎曲以實(shí)現(xiàn)形狀和結(jié)構(gòu)完整性的建筑設(shè)計系統(tǒng)，以及開發(fā)順應(yīng)性的機(jī)構(gòu)和軟機(jī)器人中的應(yīng)用。

該團(tuán)隊使用模擬驗(yàn)證了他們的實(shí)驗(yàn)觀察，該模擬反映了物理原型，從而提供了變形樣品中應(yīng)力分布的反饋。

樣品顯示出由于圖案化的剛度變化引起的可編程變形。（A）示出了由灰度圖像表示的剛度梯度的示意圖?；旌衔?具有10wt％的基礎(chǔ)混合物，并且混合物2具有10wt％的基礎(chǔ)混合物和4wt％的CA。（B到E）相同尺寸的細(xì)纖維素條沿其長度方向印有各種剛度梯度曲線，并在經(jīng)受相同的外部位移時表現(xiàn)出不同的曲率曲線。（B）顯示均一的剛度（無梯度）導(dǎo)致對稱曲率分布的照片。（C）照片顯示，較弱混合物的離散區(qū)域?qū)е铝祟愃沏q鏈的行為，使該條的曲率輪廓從非漸變對稱曲線變形。（D）顯示逐漸正弦梯度的照片導(dǎo)致曲率輪廓接近一個圓。（E）照片顯示，通過打印的剛度梯度可以實(shí)現(xiàn)該條帶的所需封閉端形式，其中較弱的區(qū)域比較硬的區(qū)域更容易彎曲。（F和G）系列柔性照片，這些照片將橫向上的負(fù)載轉(zhuǎn)移到縱向上的大變形中，從而實(shí)現(xiàn)了程序化的折疊效果。這些相同的編程行為是通過“硬度梯度圖案和應(yīng)用”一節(jié)中所述的不同方法實(shí)現(xiàn)的。（F）通過定向放置較高橫截面的加強(qiáng)筋而表現(xiàn)出幾何剛度差異的樣品。（G）通過在意欲折疊的區(qū)域中使用較高CA含量的混合物而實(shí)現(xiàn)的表現(xiàn)出E模量差異的樣品。（H）（G）部分中特征表的數(shù)字網(wǎng)格模型。E模量值的精細(xì)漸變適用于近似板材的連續(xù)梯度。（I）有限元模擬的一系列快照，用于預(yù)測在一對作用力下的編程折疊行為，由藍(lán)色方框箭頭表示（圖片來源：斯圖加特大學(xué)的Sachin S. Gupta）。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0929

這樣，Pedro AGS Giachini及其同事將材料工程與數(shù)字處理相結(jié)合，以控制材料的混合和沉積，從而擠出具有連續(xù)，高對比度和多方向剛度梯度的可調(diào)諧粘彈性材料。

他們建立了一種方法，可以將基本溶液工程化為包含纖維素的機(jī)械和流變特性的流體纖維素基材料目錄，從而為剛度梯度提供物理基礎(chǔ)。

該方法的靈活性使團(tuán)隊能夠適應(yīng)可擴(kuò)展和可適應(yīng)的過程，這些過程可應(yīng)用于各種梯度制造過程。

所開發(fā)的方法將得到進(jìn)一步優(yōu)化，以克服局限性，并推動現(xiàn)有潛??力來打印2D或2.5D對象并創(chuàng)建具有內(nèi)部功能特性梯度的完全成型的3D對象。

文章來源：phys.org