打印方向与界面机械设计使多材料增材制造实现更优粘结

为日常设备打造更坚固的3D打印件

从软体机器人夹持器到柔性手机支架和可穿戴传感器，许多未来设备依赖于在单一部件中混合刚性与软性塑料的3D打印。然而，这类组合常在最薄弱处失效：两种迥异材料相接的缝隙处。该研究表明，仅通过改变物件在打印时的朝向，并调整材料间微小的接触区形状，工程师就能使该接缝的韧性提高多达二十倍——无需专用粘合剂或新设备。

为何混合刚性与软性塑料困难重重

多材料3D打印可以让刚性塑料承载载荷，而橡胶状材料在同一连续部件中弯曲或吸收冲击。作者聚焦于一对常见材料：一种坚硬的植物基塑料（PLA）和一种有弹性、能缓冲冲击的塑料（TPU）。PLA 强但脆，TPU 软但非常韧，两者并不天然相互粘附。在许多实际产品中——如软体机器人、医疗器械或减振支座——这类材料的界面往往是裂纹起始处，使用中部件会从此剥离。

将打印方向变成设计工具

大多数打印机以堆叠的薄丝层沉积材料。传统上，设计者关注每层内的二维铺设图案，认为界面只是两个块体之间的平面接触。研究者提出了一个问题：如果将整个部件相对于打印机旋转，会怎样？在常见的“平放”方向，刚性和软性塑料仅在两层之间接触，其连接依赖于层与层之间相对较弱的结合。在另一种“立边”方向，界面沿垂直方向贯穿多层。这为打印机提供了更多机会将两种材料的丝线并排交织，大幅扩大接触面积并增加机械互锁的可能性。

接缝处的书页般隐秘结构

通过在界面处精心设计的图案并在显微镜下观察横截面，团队在“立边”打印中发现了一种意外但可重复出现的结构：PLA 与 TPU 的丝线形成了细密分层、相互交错的图样，类似两本电话簿的页面互相咬合。界面不再是单一光滑边界，而变成了密集的微小重叠脊与槽。这显著增加了真实接触表面——相比平放参考面几乎提高了近四倍——并形成了许多将材料互锁的小锚点。即使是纯粹由朝向和层高驱动的沉积路径上的微小变化，也会在外观不可见的情况下重塑内部几何结构。

测量接缝韧性的提升幅度

为了把这种隐藏的几何结构量化，作者使用了一种改良的剥离试验，缓慢拉开 PLA 与 TPU 的接触面，同时记录力值并跟踪裂纹沿界面的扩展。他们比较了普通平滑界面与含有不同互锁图案的界面，分别在平放与立边两种方向下测试。所有有图案的界面性能均优于光滑界面，但打印方向带来了显著差异。某些“立边”设计在维持裂纹增长上需要的能量几乎是同样设计平放时的四倍，并且比简单光滑界面高出多达十九倍。启动裂纹所需的力可以提高十倍甚至更多。在一些平放设计中，丝线像微小桥梁横跨开口，也能减缓裂纹扩展，而在立边情形中，主导效应是高度互锁、书页般的接触结构。

对未来3D打印设备的意义

通俗地说，这项研究表明，仅通过选择更聪明的打印方向和接缝图案，而不是依赖化学粘合或额外胶黏剂，就能显著提高刚性与软性塑料之间关节的抗剥离能力。将界面朝向打印机的最高分辨率平面，并将其设计为鼓励交错互嵌，可以将脆弱的接缝转变为吸能的高韧性区域。由于该方法依赖几何而非化学，它可应用于许多不天然粘合的材料对。其结果是为软体机器人、可穿戴设备、微机电装置及其他先进应用提供更耐用、紧凑且可靠的多材料3D打印部件。

引用: Farràs-Tasias, L., Topart, J., De Baere, I. et al. Printing orientation and interfacial mechanical design enable superior bonding in multimaterial additive manufacturing. npj Adv. Manuf. 3, 14 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00075-y

关键词: 多材料3D打印, PLA TPU 界面, 打印方向, 机械互锁, 增材制造韧性