美国新型3D打印技术可生产出高性能复合材料

近日，美国哈佛大学工程与应用科学学院的一个研究小组日前展示了一种名为“旋转3D打印”的新型3D打印技术，其喷嘴的速度和旋转经过精确设计，能对聚合物基质中嵌入纤维的排列进行编程，是生物复合材料设计的一大飞跃。    

    大自然“生产”的木头、骨头、牙齿和贝壳等精致复合材料，是轻质和密度与所需的机械性能完美结合。然而，再现自然界中发现的特殊机械性能和复杂微结构，则颇具挑战。而哈佛大学团队研发的“旋转3D打印”技术，对聚合物基质中嵌入的短纤维排列具有超强控制能力。研究人员使用这种增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料内的纤维排列进行编程，创建出对强度、刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

    技术特点

    这一方法的关键在于精确编排3D打印机喷嘴的速度和旋转，以便对聚合物基体中的嵌入式纤维的排列进行编程。这一技术通过为旋转打印头系统配备步进电机来实现，其可引导旋转喷嘴在墨水被挤出时的角速度。由于其墨水设计具模块化特性，可实现使用多种不同填料和基体的组合来定制打印对象的电学、光学或热性能，因而应用范围较广。据项目负责人介绍，实现在工程复合材料中对纤维排列进行局部控制，是一个巨大挑战。该团队目前能够用分层的方式来构造材料，接近自然构造方式。

    这一技术可使打印部件的每个位置实现最佳或接近最佳的纤维布置，从而以更少的材料获得更高的强度和刚度。其通过控制墨水本身的流动来赋予所需的纤维排列，而非通过磁场或电场来定向纤维。

    扩展应用

    “旋转3D打印”的喷嘴概念适用于任何材料挤压打印方式，从熔融丝制造、直接墨水书写，到大规模热塑性添加剂制造以及任何填充材料，从碳和玻璃纤维到金属或陶瓷晶须和血小板。

    该技术可实现能进行空间编程的工程材料的3D打印，以达成特定的性能目标。譬如，可对纤维的排列进行局部优化，以提升在加载、硬化潜在失效点过程中，预计会承受最高应力位置的损伤容限。

    意义

    “旋转3D打印”技术提供了一种新型制造复杂微观结构的途径，并能可控地改变不同区域的微观结构。对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制，这极大地扩展了可用于进一步优化属性的设计空间。

    生物复合材料通常具有显着的机械性能：单位重量的高刚度、高强度以及高韧性。设计由生物复合材料启发的工程材料的突出挑战之一，即在小范围和局部水平上控制纤维排列。哈佛大学团队的这一成果则证明了这一方式的可行性，是生物复合材料设计的一大飞跃。