Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing

3D打印 熔丝制造 纳米技术 蛋白质丝 制作 材料科学 计算机科学 机械工程 复合材料 工程类 医学 替代医学 病理
作者
Huawei Qu,Chongjian Gao,Kaizheng Liu,Hongya Fu,Zhiyuan Liu,Paul H. J. Kouwer,Zhenyu Han,Changshun Ruan
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47360-y
摘要

Abstract Gradient matters with hierarchical structures endow the natural world with excellent integrity and diversity. Currently, direct ink writing 3D printing is attracting tremendous interest, and has been used to explore the fabrication of 1D and 2D hierarchical structures by adjusting the diameter, spacing, and angle between filaments. However, it is difficult to generate complex 3D gradient matters owing to the inherent limitations of existing methods in terms of available gradient dimension, gradient resolution, and shape fidelity. Here, we report a filament diameter-adjustable 3D printing strategy that enables conventional extrusion 3D printers to produce 1D, 2D, and 3D gradient matters with tunable heterogeneous structures by continuously varying the volume of deposited ink on the printing trajectory. In detail, we develop diameter-programmable filaments by customizing the printing velocity and height. To achieve high shape fidelity, we specially add supporting layers at needed locations. Finally, we showcase multi-disciplinary applications of our strategy in creating horizontal, radial, and axial gradient structures, letter-embedded structures, metastructures, tissue-mimicking scaffolds, flexible electronics, and time-driven devices. By showing the potential of this strategy, we anticipate that it could be easily extended to a variety of filament-based additive manufacturing technologies and facilitate the development of functionally graded structures.
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