中国科研团队开发3D打印部件着色新方法

一组中国科研人员开发了一种为3D打印部件添加颜色的新方法，这种方法相比传统染色或着色更安全。据悉，这种新方法围绕着团队开发的一种生物相容性墨水，该墨水产生的部件能够通过“结构着色”改变外观，以响应热或光刺激。该团队表示，新方法让从可穿戴生物传感器到儿童安全玩具的生产，成为可能。

“我们相信胆甾相液晶油墨可以为下一代环保3D光子打印带来创新。”该团队在《美国国家科学院学报》上发表的论文中这样解释道。油墨保持胆甾相液晶状态，从而产生结构色。

2021年美国陆军采用了类似的仿生方法，为一种在光学部件上应用类似飞蛾的“衍射涂层”的方法申请了专利

克服染色的毒性

除了3D打印之外，众所周知某些消费品如染发剂和衣物染料会导致用户出现健康问题。可持续服装运动组织“good on you”甚至表示，今天服装上的许多染料都含有致癌物质，虽然臭名昭著的“偶氮染料”在欧盟是被禁止的，但它们经常在其他地方使用。

研究人员对为3D打印细丝着色的颜料感兴趣。虽然用于此目的添加剂往往因材料而异，并且像许多东西一样，在某些浓度下可能是有毒的，尤其是当它们结块时。这就是为什么如此广泛的研究将食品或皮肤接触视为“安全”的部分，因为这些区域存在交叉污染的可能性。

尽管如此，在许多情况下，熔融灯丝制造3D打印部件的着色对于最终应用仍然至关重要，无论它们是逼真的临床模型还是桌面图形。因此，复旦大学、东南大学和中科院的研究人员找到了一种解决方案，现在他们已经在自然界中找到了。

3D打印部件在不同的热条件下会变色

具体来说，科研团队试图复制一种被称为结构着色的效果，这种效果被蝴蝶和孔雀等动物用于从伪装到吸引配偶的所有方面。在实践中，这种现象通过显微镜结构的表面产生颜色错觉，精细到足以干扰可见光，通常不需要着色。

该研究的主要作者Shang Luoran告诉《南华早报》：“当材料被照亮时，一些光源的波长被反射形成我们所看到的颜色。在自然界中，蝴蝶、昆虫、变色龙的翅膀上和一些植没有色素，但仍然会在某些状态下 形成鲜艳的金属色。”

一种“结构着色”的3D打印墨水

为了制备新型3D打印材料，研究人员将明胶和水凝胶与羟丙基纤维素（HPC）和胆甾相纤维素液晶（CLC）相结合。研究小组发现，将HPC作为“积木”，他们能够开发出能够产生明亮和金属颜色的CLC，而热响应水凝胶的集成使这一过程能够被紫外线“触发”。

为了评估材料的变色能力，科学家们接着在平面上制作了各种形状的3D打印原型，如锡箔纸和实验室工作台。在每一种情况下零件的外观都发生了变化，因此研究小组声称，他们正在寻找改进配方的方法，例如用天然衍生替代品替代水凝胶。

其他一些原型是使用该团队的仿生墨水进行3D打印的

研究人员表示，这样做可以让墨水可以食用，以此开发出一个新的潜在市场。该团队还研究使用其材料在曲面上制造零件的可能性。理论上，这可以创造出复杂的部件，例如儿童玩具的部件，而且这些部件必须符合某些无毒标准。

“预计将进一步修改油墨的配方，”Luoran总结道，“目前物体是在平面上打印的。我们希望这项技术将来可以适应不同形状的曲面，如苹果。”

自然启发的增材制造

中国科学家的新材料可能很独特，但令人惊讶的是，自然界似乎经常成为3D打印创新的基础。就在去年，美国陆军夜视实验室的科学家们成功开发出一种独特的3D打印滚筒，能够使飞蛾在军事装备上隐形的图案上打上印记。

与此同时，浙江大学的研究人员将墨鱼作为灵感，开发出具有独特能量吸收能力的仿生细胞样结构。结构本身的重量很轻，但却能承受2万倍于自身重量的变形。研究小组表示，这些部件可用于制造飞机、装甲、车辆或建筑。

同样受到海洋生物的启发，中国台湾科技大学的科学家也提出了新的晶格3D打印结构，模拟海胆的形态。利用这种生物的机械稳定性和承重形状，研究团队已经能够制造出更高效的无支撑部件。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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