“蛛网和木结”——灵感来自自然的3D打印技术

图1：依据木材木结应力线的3D打印产品。

熔融沉积建模（FDM），通常简称为3D打印，该技术被誉为制造业的未来。EZ Zur公司的研究人员已经开发出了一种3D打印仿生的可回收液晶聚合物（LCP）的方法，该方法使用传统的台式打印机，产品性能比最先进的印刷聚合物还好，甚至与性能最高的轻质材料相媲美。因为这项研究是使用一个现成的聚合物和一个商用台式打印机进行的，并且利用更广泛的添加制造和开源社区（一般由拥有共同兴趣爱好的人所组成，根据相应的开源软件许可证协议公布软件源代码的网络平台，同时也为网络成员提供一个自由学习交流的空间。），总之，该项研究采用这种新材料和数字化设计来制造强而复杂的轻量级物体的方法是较为容易的。因此，该技术有望成为复杂结构、生物医学和能量收集应用中的转换器，最终使复杂的3D打印部件能够模仿天然结构设计以用于大众市场。

3D打印（特别是FDM）通过顺序沉积熔融聚合物的液珠可以快速且低成本地生产独特的复杂部件。然而，可用的聚合物性能相对较弱，并且印刷的部件在印刷线路之间表现出较差的粘合性。由于这些限制，FDM尚未成功地在商业产品中实现。传统上，聚合物的性能是通过在材料中强而硬连续纤维的（例如玻璃或碳纤维）来提高的。尽管所得到的材料显示出非常高的强度和刚度，但是该制造过程消耗大量能量和大量劳动成本，并且无法回收最先进的复合材料，这些困难是当今该工艺的主要挑战。用连续纤维进行3D打印可以制造具有更复杂几何形状、更加良好机械性能的零件，但是这种方法需要昂贵的专用设备，并且产品（先进的复合材料）不能回收。

这是第一次，来自ETH Zürich的复杂材料研究团队和软材料研究团队的研究人员能够利用可回收材料打印出的产品具有超过其他所有用聚合物打印产品的力学性能，该产品甚至可以与纤维增强复合材料竞争。研究人员的灵感来自于自然界中的两种材料——蜘蛛丝和木材——在这些结构的发展过程中，蜘蛛丝由于丝蛋白沿纤维方向的高度分子排列而具有无与伦比的机械性能。首先，通过使用液晶聚合物(LCP)作为FDM原料材料，可以在从FDM喷嘴挤出过程中再现这种高取向，从而在沉积方向上产生前所未有的机械性能。其次，利用纤维的各向异性，根据环境施加的特定加载条件，调整打印路径的局部取向。这种设计原理的灵感来自于像木材这样的组织，在整个加载结构（如图1所示）中，随着木材的生长和适应其环境，木材能够沿着形成的应力线排列纤维。

3D打印的LCP结构比最新的3D打印聚合物产品更强大，并且该产品在当前的复合制造技术中没有高劳动成本和高耗能。使用设计自由的3D打印机可以用来创建具有复杂打印结构和复杂的几何形状的产品，结合这些印刷结构可以再循环的这一情况，最终应该可以创建FDM结构（该结构可以作为轻质结构部件在工业中使用）。