《Advanced Materials Technologies》：Fabrication of Fibers With Complex Features Using Thermal Drawing of 3D-Printed Preforms
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研究人员利用商用3D打印技术作为制备聚合物预制件用于热拉拔的快速、低成本途径，通过优化打印参数，在保持微米级复杂横截面特征的同时，将纤维直径减小至100 μm。该能力实现了用于可转向导管概念的互锁纤维几何结构的微型化。除无定形热塑性塑料外，半结晶聚丙烯（PP）
研究人员利用商用3D打印技术作为制备聚合物预制件用于热拉拔的快速、低成本途径，通过优化打印参数，在保持微米级复杂横截面特征的同时，将纤维直径减小至100 μm。该能力实现了用于可转向导管概念的互锁纤维几何结构的微型化。除无定形热塑性塑料外，半结晶聚丙烯（PP）预制件经热拉拔制备的纤维展现出比同类聚碳酸酯（PC）纤维高五倍的肌腱驱动弯曲响应。研究人员进一步使用磁性负载丝材进行功能材料集成，以用于机器人应用的磁响应纤维。预制件中设计的纵向周期性在单次制备运行中产生具有可编程刚度梯度的锥形纤维。该方法支持从预制件设计到热拉拔聚合物纤维的快速转化，实现复杂几何结构、更广泛的材料选择和应用特定的功能。
高长径比聚合物材料凭借其机械柔性与实现复杂几何结构的能力，在从日常用品到工业和医学领域专用设备的广泛应用中具有重要价值。然而，传统制备方法如挤出成型和模塑成型在集成多种材料及实现复杂几何结构方面面临挑战：挤出成型受限于专用模具制备耗时且成本高，且多材料体系因流变学和热力学性质差异导致流动不均、界面不稳定及结构保真度差；模塑成型虽可生产复杂几何结构，但存在模具成本高、制备周期长、难以制备长连续结构等局限，不适用于需要频繁迭代设计的早期原型开发。热拉拔技术通过将宏观结构预制件转化为细长纤维并保留其横截面特征和结构完整性，为制备高长径比聚合物材料提供了解决方案，但预制件制备仍是制约复杂功能纤维结构生产的关键瓶颈。
在此背景下，研究人员开展了将熔融沉积成型（FDM）3D打印技术引入热拉拔流程的研究，旨在建立快速、低成本的复杂纤维制备平台。该研究发表于《Advanced Materials Technologies》，主要贡献包括：确立打印-拉拔工作流的优化参数窗口；首次实现半结晶聚合物（聚丙烯，PP）的热拉拔，扩展可拉拔材料空间至低模量、更柔性的纤维；通过纵向周期性预制件设计实现单次运行制备多根锥形纤维；利用功能材料（铁负载聚乳酸，mPLA）制备磁驱动纤维；以及建立结合3D打印外壳与块体光学聚合物芯材的混合预制件共拉策略。
研究采用的关键技术方法包括：使用SolidWorks进行预制件计算机辅助设计（CAD），采用Ultimaker 3+ Extended FDM打印机以0.4 mm喷嘴、100%填充率和0.08 mm层厚进行预制件打印；搭建三段式辐射圆柱炉热拉拔系统，配备激光位移传感器和张力计进行实时监测；通过力学测试系统评估屈曲刚度和弯曲刚度；采用扫描电子显微镜（SEM）观察多材料界面连续性；利用微计算机断层扫描（Micro-CT）评估双包层多材料纤维的内部结构；通过肌腱驱动弯曲实验量化PC与PP纤维的弯曲响应；以及使用永磁体表征mPLA纤维的磁响应特性。
**打印层厚对纤维直径一致性的影响**
研究人员系统评估了50–250 μm范围内的打印层厚对纤维直径一致性的影响，以中空PC预制件（外径20 mm、内径6 mm、长度100 mm）为目标纤维直径1 mm进行热拉拔实验。结果表明，层厚减小可改善尺寸稳定性：50 μm层厚时纤维直径为0.981 ± 0.019 mm（变异系数1.9%），而250 μm层厚时为0.909 ± 0.400 mm（变异系数44.0%），直径变异随层厚增加呈指数增长。打印时间随层厚增加呈幂律下降，从50 μm时的11.0 h降至250 μm时的2.4 h。基于精度与效率的权衡，后续实验选用80 μm层厚，在保持σ ≤ 50 μm的同时将打印时间控制在6–7 h。
**横截面特征的系统性研究**
研究人员设计了三种代表性横截面架构评估3D打印-热拉拔工作流的几何保真度：六孔圆形纤维、圆形轮廓齿轮纤维（gear-1）和方形轮廓齿轮纤维（gear-2）。定量分析显示，六孔圆形纤维的孔径收缩率为14.0 ± 3.8%，而齿轮结构特征收缩率为13.7%–27.9%。特征比例分析表明，整体横截面比例的保真度优于绝对尺寸保真度：gear-1的特征比例差异均值为6.1 ± 2.3%，gear-2为10.1 ± 3.0%。研究确立了设计准则：圆形多孔结构的预制件孔径宜大于2 mm（相对于30 mm预制件约为1:15的比例），并预留约20%的过尺寸补偿；齿轮结构的特征尺寸宜超过3 mm，过尺寸补偿约30%，并建议采用圆角过渡以改善几何保真度。
**多种纤维设计的制备**
研究人员制备了横截面为兔子、蝴蝶和星形的PC预制件（长度150 mm），并成功热拉拔为保留整体几何特征的纤维，特征尺寸跨越两个数量级以上。兔子设计从2.53 mm缩小至0.19 mm（拉拔比1:12.6至1:168）；边界偏差分析显示最大偏差分别为兔子25 μm（耳部）、蝴蝶10 μm（翅尖和触角）、星形外部边界11 μm。COMSOL应力模拟表明，应力集中于薄壁或突出特征（兔子耳部和尾部、蝴蝶触角、星形边缘），而宽大区域（兔子躯干、蝴蝶翅膀）应力较低、形状保持更佳。星形纤维的最小内部通道因压力和表面张力驱动的不稳定性出现局部变形，成为限制因素。
**功能性先进纤维**
**拼图互锁形状设计**：研究人员实现了可编程斜面针头（PBN）的复杂横截面设计，用于高精度神经外科手术。四段式PBN纤维直径降至1.3 mm，工作通道从7.5 mm缩小至210 μm（有效缩小系数约35.7倍），各段可相对平滑滑动，展示了复杂功能器件几何结构的制备能力。
**纵向周期性预制件用于锥形纤维**：研究人员设计了具有10个纵向周期性节段（每段10 mm，含2 mm外径缩减段）的PC预制件（内径8 mm、外径24 mm），通过热拉拔产生刚性近端轴和柔性远端尖端的锥形纤维（直径2.2 mm至1 mm）。该设计无需后处理即可单次运行制备多根尖端可转向导管，四根等距侧向通道可供导线穿入以操控尖端运动。
**不同刚度纤维**：研究人员首次实现了3D打印PP预制件的热拉拔，制备出单丝柔性纤维。PP纤维（杨氏模量约12 MPa）在相同拉伸力下的弯曲角度是PC纤维（杨氏模量2.134 GPa）的5.1倍，4 cm长度PP纤维可达到1.43 cm的曲率半径。力学测试表明，PC纤维的屈曲刚度为0.144 ± 0.002 N/mm、表观屈曲模量为2324.9 ± 39.4 MPa，而PP纤维分别为0.006 ± 0.001 N/mm和94.9 ± 10.2 MPa（表现为屈曲起始行为）。PC+mPLA多材料纤维表现出最高的屈曲刚度（0.188 ± 0.006 N/mm）和弯曲刚度（4.166 ± 0.169 N/mm）。
**铁填充多材料纤维用于磁驱动**：研究人员设计并制备了PC-mPLA同心结构和五腔径向结构的磁响应多材料纤维。同心结构外径500 μm（拉拔比64倍），mPLA占比为固体聚合物横截面积的23.1%；五腔结构外径800 μm（拉拔比25倍）。磁响应测试显示，永磁体在22 mm距离时产生可测吸引力，随距离减小尖端偏转增大，直至0 mm完全接触。该磁响应仅使用原材料mPLA的铁磁负载实现，无需外部磁化步骤或后处理。
**混合预制件制备技术**：研究人员将3D打印PC外壳与块体环烯烃聚合物（COP）和环烯烃共聚物（COC）芯材结合，经200°C真空烘箱固化30 min后共拉拔，制备了具有PC包层和光学聚合物芯材的混合聚合物光纤。光学显微镜、Micro-CT和SEM分析确认了PC-COC界面的连续性，最大局部界面分离低于1.5 μm，无宏观分层，证明了两种预制件制备方法结合的可行性。
**讨论与结论**
研究人员总结了该研究的核心发现：3D打印技术的引入实现了快速、低成本的复杂横截面预制件设计与生产，热拉拔可将纤维直径减小至约200 μm同时保持横截面特征。具体成果包括：拼图互锁形状设计实现了可转向神经手术纤维；纵向周期性预制件实现了锥形纤维的单次运行可扩展生产；首次实现了PP的热拉拔，其低刚度适用于需要小曲率半径的可转向导管；mPLA的集成实现了磁响应纤维的制备。
研究结论指出，3D打印与热拉拔技术的结合支持具有定制设计、复杂横截面几何、多样材料选择和数百微米直径纤维的快速原型制备。这种低成本制备方法克服了多项制备挑战，加速了支撑医疗健康、机器人等领域创新的纤维研究。未来研究可探索额外材料组合、纤维架构和后拉拔功能化技术，以进一步扩大该技术的应用范围和潜力。
