自然界中的骨骼、蠶絲、木材等生物材料能夠自組裝形成了一種分級復合構造的輕質(zhì)結構，不僅擁有優(yōu)異的機械性能，還能夠重新循環(huán)再生長。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員正是借鑒了自然界中生物材料的生長機理，采用分級3D打印液晶聚合物的方法制備出了一種可循環(huán)利用的新型輕質(zhì)結構。
   該技術利用熱致變液晶芳族聚酯中的剛性分子片段在熔融狀態(tài)下能夠自組裝形成液晶向列區(qū)的現(xiàn)象，研究人員采用FDM技術在材料的擠出成形過程中讓熔融液晶材料沿著打印路徑實現(xiàn)自組裝，從而實現(xiàn)了材料結構的各向異性生長，之后再結合材料的各向異性和由3D打印賦予的復合成型能力進一步優(yōu)化結構的機械性能，獲得能夠與傳統(tǒng)輕質(zhì)材料的剛度、強度以及韌性相比擬的高強輕質(zhì)結構。

FDM方法打印分級熱致型液晶聚合物（a）由剛性單體組成的芳族無規(guī)共聚酯構成的棒狀聚合物鏈；（b）熔融狀態(tài)下的剛性聚合物棒沿同一方向?qū)R；（c）局部對齊的向列區(qū)在聚合物中形成準各向同性區(qū)域；（d）加熱的噴嘴在擠出操作時利用拉伸力和剪切力對聚合物進行重整；（e）材料擠出后失去自身的取向；（f）沉積材料在一定高度的表面再次調(diào)整對齊并且形成核殼結構；(g-h)鏈末端通過熱處理進行化學交聯(lián)增加分子量

液晶聚合物長絲的性能與打印條件的關系 （a）核殼結構長絲的偽色掃描電子顯微圖像；(b-c) 核殼結構長絲橫截面的偏光顯微圖像；(d)X射線衍射表明取向聚合物的占比更高；(e) 垂直擠出的長絲強度和楊氏模量均隨著噴嘴直徑的減小而增大；(f) 水平打印的長絲強度和楊氏模量均隨著長絲高度的減小而增大；(g) 噴嘴溫度與室溫之間的溫差與長絲楊氏模量的關系；(h) 固態(tài)退火處理能夠通過增加聚合物分子量來提高性能

     研究人員對打印出來的樣件進行力學性能測試，發(fā)現(xiàn)該熱致變液晶聚合物的自組裝形成各向異性的長絲能夠?qū)⒉牧享g性等機械性能提高到與現(xiàn)有輕質(zhì)材料類似的程度。

3D打印的液晶聚合物層板以及部件的機械性能和復雜結構 （a）液晶聚合物開孔層壓板在張力作用下的力學性能；(b) 斷裂之前開孔的應變圖譜；(c) 液晶聚合物打印線和部件的比剛度、比強度和衰減性能；(d-e)具有復雜結構的3D打印液晶聚合物模型

     該技術采用分級3D打印技術成功解決了傳統(tǒng)纖維增強型聚合物結構在性能上易脆裂、難以塑形的難題，能夠利用可回收材料再制造，突破了復合材料回收再利用的關鍵技術，成功實現(xiàn)了具有優(yōu)異機械性能輕質(zhì)構件的制備，對于今后制備新型的人工輕質(zhì)材料具有重大的意義。