模块化挤出头，可调控纤维内部周期性结构

具有复杂内部结构的多材料一维纤维一直是科学与工程领域的研究热点。其中，周期性结构纤维可以通过对周期的设计和调控，显著提高纤维的性能和功能。然而，传统的纤维加工方法（包括熔融纺丝、溶液纺丝和静电纺丝）需要编织、针织等后纺丝工艺，这限制了生产效率，并给材料选择和复杂结构的制造带来了困难。 与传统制造相比，利用 3D 打印技术，可以轻松实现微观和宏观结构的制造。为了扩展挤出过程中多种材料的可编程性，微流体挤出头设计已被用于创建多功能纤维结构。然而，由于高分辨率微流道的设计和制造的复杂性，目前挤出头的结构选择仍然有限。 基于此，西湖大学提出了一种模块化策略设计挤出头，利用多材料直写工艺挤出具有可调控周期性结构的纤维，并用来制造具有空间可编程周期性结构的 3D 物体。不同功能的模块可以通过串联，并联，串并联等不同的方式进行连接组装，用来制备具有层状结构和棋盘结构的多材料纤维。纤维内部的周期性结构可以通过调节工艺参数，模块的种类数量和尺寸进行控制。通过模块化平台策略，极大的简化了挤出头设计的难度，提高了具有周期性结构纤维的加工效率。该挤出头是利用面投影微立体光刻技术一体化成型制造而成。 通过研究团队的策略，两种具有相似流变性能和不同机械性能的不混溶材料用于共挤出。周期性结构可以显著提高纤维和晶格结构的机械性能。首先，对于硬/软硅橡胶复合弹性体，层状结构纤维展现出最高的断裂韧性，分别是均质软硅橡胶和硬硅橡胶的1.8和11.8倍。其次，受生物珍珠壳状结构启发，加工得到环氧树脂/硅橡胶层状复合材料，纤维的增韧效果表现出明显的各向异性行为。在此基础上，研究团队通过控制打印路径，在3维木桩结构中对周期结构进行空间编程，使打印结构在压缩测试中不会发生灾难性的结构损坏。与直接混合的复合材料相比，层状结构的纤维的韧性和交错木桩结构的能量吸收能力表现出了显著的增强。 本研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”为题发表在学术期刊《Additive Manufacturing》上。