近日，哈佛大學(xué)John Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究小組已經(jīng)表明，他們的新型3D打印技術(shù)，其噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)經(jīng)過精確設(shè)計，能對聚合物基質(zhì)中嵌入纖維的排列進行編程，是生物復(fù)合材料設(shè)計的一大飛躍。新的方法對嵌入塑料基質(zhì)中的短纖維排列產(chǎn)生前所未有的控制。

    大自然“生產(chǎn)”的木頭、骨頭、牙齒和貝殼等精致復(fù)合材料，是輕質(zhì)和密度與所需的機械性能完美結(jié)合。然而，再現(xiàn)自然界中發(fā)現(xiàn)的特殊機械性能和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，則頗具挑戰(zhàn)。而哈佛大學(xué)團隊研發(fā)的“旋轉(zhuǎn)3D打印”技術(shù)，對聚合物基質(zhì)中嵌入的短纖維排列具有超強控制能力。研究人員使用這種增材制造技術(shù)在特定位置對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料內(nèi)的纖維排列進行編程，創(chuàng)建出對強度、剛度和損傷容限進行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)材料。

    該研究的資深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物啟發(fā)工程學(xué)院Hansjorg Wyss教授說：“能夠在工程復(fù)合材料中局部控制纖維取向是一個巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在我們可以用分層的方式對材料進行圖案化，就像自然構(gòu)建的方式一樣。”

    旋轉(zhuǎn)3D打印可以用于在3D打印部件的每個位置實現(xiàn)最佳或接近最佳的光纖布置，從而以更少的材料獲得更高的強度和剛度。 與之前市場上出現(xiàn)的使用磁場或電場來定向纖維不同，哈佛大學(xué)的這個發(fā)明是通過控制粘性油墨本身的流動來賦予所需的纖維取向。

    圖片：哈佛大學(xué)Jennifer A Lewis教授

    據(jù)稱，“旋轉(zhuǎn)3D打印”的噴嘴概念可用于任何材料擠壓3D打印方法，從熔融絲制造，直接墨水書寫，到大規(guī)模熱塑性增材制造等不同的3D打印技術(shù)。并且適合任何填充材料，從碳、玻璃纖維到金屬或陶瓷晶須甚至是血小板。

    這種技術(shù)適合于工程材料的3D打印，可以通過空間編程以達到特定的機械性能指標(biāo)；可以對纖維的定向進行局部優(yōu)化，以提高在加載過程中預(yù)期承受最高應(yīng)力的位置處的損傷容限。

    這提供了一個新的途徑來生產(chǎn)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，并可控制地改變不同位置的微觀結(jié)構(gòu)。 對結(jié)構(gòu)的更多控制意味著對結(jié)果屬性的更多控制，這大大擴展了設(shè)計空間，可以進一步優(yōu)化可編程材料的屬性。

    這項研究發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上，這項工作是在哈佛的劉易斯實驗室進行的。合作者包括前博士后研究員Brett Compton，現(xiàn)任諾克斯維爾田納西大學(xué)機械工程系助理教授，賓夕法尼亞大學(xué)機械工程與應(yīng)用力學(xué)助理教授Jordan Raney;以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院訪問博士生Jochen Mueller。

    這一方法的關(guān)鍵在于精確編排3D打印機噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)，以便對聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進行編程。這一技術(shù)通過為旋轉(zhuǎn)打印頭系統(tǒng)配備步進電機來實現(xiàn)，其可引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)噴嘴在墨水被擠出時的角速度。由于其墨水設(shè)計具模塊化特性，可實現(xiàn)使用多種不同填料和基體的組合來定制打印對象的電學(xué)、光學(xué)或熱性能，因而應(yīng)用范圍較廣。據(jù)項目負(fù)責(zé)人介紹，實現(xiàn)在工程復(fù)合材料中對纖維排列進行局部控制，是一個巨大挑戰(zhàn)。該團隊目前能夠用分層的方式來構(gòu)造材料，接近自然構(gòu)造方式。

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