科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种新方法，用于确定喷墨增材制造中的材料特性。
该研究的合著者罗伯特·麦柯迪和劳伦斯·史密斯称之为“性能的潘通”，这些发现概述了多材料喷墨3D打印如何通过组合不同的树脂材料来创造特定的材料特性。
与如何通过混合不同的原色来创建特定颜色类似，这些发现概述了如何通过混合三种“原色”材料来实现可重复的3D打印材料特性。这些材料包括软弹性体、硬质塑料和液体成分。
在这项研究中，研究人员使用定制软件设计了数百个数字复合材料样品。3D打印后，对样品的机械性能进行测试和表征。然后创建比较复合成分和机械性能的分析映射，从而实现“逆向材料设计”。
这个过程颠覆了传统的材料选择过程。通常，工程师会寻找具有所需材料特性的合适材料，然后根据该材料创建设计。取而代之的是，新方法可以首先为零件指定一组所需的材料属性，然后对其进行 3D 打印。
作者声称，这项研究是第一个表征由三种具有不同机械性能的喷墨材料制成的数字材料复合材料的研究。以前的研究只评估了两种材料复合材料，它们“达不到机械现实主义”。
该工艺的潜在应用是多种多样的。研究人员强调，3D打印机械上合理的合成生物组织是一个潜在的用例。利用逆向材料设计方法，用户可以设计和3D打印具有精确模拟生物组织所需的任何刚度和韧性组合的材料。
该研究题为“通过增材制造的数字多相复合材料”，已发布在《先进材料》杂志上。
实验结果，用颜色表示流体的体积分数。这些复合材料占据了与生物材料相似的模韧性空间区域。图片来自 Advanced Materials。
多材料喷墨 3D 打印机喷射光敏聚合物树脂液滴，然后通过紫外光源固化，形成 3D 物体。
3D 打印机制造商 Stratasys 的 Agilus 和 Vero 喷墨 3D 打印树脂在固化后具有不同的性能。Agilus 成为一种坚韧而柔韧的弹性体材料，而 Vero 则形成一种刚性塑料。这两种材料可以以不同的比例组合，以创建具有不同性能的复合材料。然而，这些组合的属性可能性是有限的。
为了实现更大的材料性能自由度，科罗拉多大学的研究人员在复合材料设计过程中添加了第三种液态材料。在研究期间，对 110 种独特的复合材料配方进行了 188 次测试。
通过使用3D打印零件的实验观察和验证，研究人员表明，通过组合3种基础材料，可以独立地决定弹性和韧性等机械性能。
使用冲孔测试进行机械测试。3D打印的测试样品暴露在通过“冲孔区域”降低的不锈钢销钉中。然后，该团队记录了样品的压痕距离和力，当材料失效时，测试终止。
该测试的结果突出表明，弹性模量和韧性特性是解耦的，并且可以在3D打印过程中独立指定。更重要的是，该研究得出的结论是，使用这种方法可以解耦任何两种材料属性。这是通过在复合材料设计过程中添加第三种液基材料来实现的。
研究人员还演示了具有规定特性的3D打印物体的逆向设计。这是通过在微观尺度上创建复合材料成分与宏观尺度材料属性之间的映射来实现的。
通过分析建模和数学方程式，研究人员成功地利用这些映射来准确估计结合弹性体、刚性和液态树脂的各种喷墨复合材料的机械性能。
最终，研究人员认为，这些发现在医学应用中具有巨大的潜力。
使用目前的方法，研究人员一直在努力获得反映生物组织的准确材料特性。据说这项研究的结果使材料的刚度和韧性能够同时和独立地改变。这使得研究人员、设计师和医疗从业者能够 3D 打印逼真且机械上令人信服的合成生物组织。
MacCurdy和Lawrence的研究并不是第一个探索多材料喷墨3D打印在医疗应用中的潜力的研究。来自麻省理工学院媒体实验室、哈佛大学Wyss研究所和Dana-Farber癌症研究所的研究人员开发了一种3D打印混合生物材料的方法。
该团队被称为混合生命材料制造平台，使用多材料喷墨3D打印和定制材料配方来结合树脂和化学信号。这些信号激活生物工程微生物的反应，为具有治疗剂的医疗设备提供了潜力。
在这项研究中，将合适的支撑树脂与结构树脂材料相结合，以3D打印具有吸收性并保留化学信号的部件，以控制生物体的行为。HLM平台可以利用三到七种具有不同性能的不同树脂，与合成生物材料以不同比例混合。
在其他地方，马丁路德大学哈勒-维滕贝格分校的一个团队开发了一种混合增材制造工艺，将挤出和喷墨3D打印相结合。
这种方法使液体油墨能够直接集成到固体材料基质中。其中一个关键应用是在初始制造阶段将活性医疗成分集成到3D打印的药物输送设备中。
该团队还确定了在结构工程中的应用.在这里，荧光液体可以装在固体结构部件中，使用户能够目视监控裂缝。
