哈佛大学发明出“旋转3D打印”,可以通过挤出式热塑性塑料3D打印制造可编程工程复合材料

近日,哈佛大学John Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究小组已经表明,他们的新型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。 新的方法对嵌入塑料基质中的短纤维排列产生前所未有的控制。

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。

该研究的资深作者Jennifer A Lewis,以及哈佛海洋生物启发工程学院Hansjorg Wyss教授说:“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一个巨大的挑战。现在我们可以用分层的方式对材料进行图案化,就像自然构建的方式一样。”

哈佛大学发明出“旋转3D打印”,可以通过挤出式热塑性塑料3D打印制造可编程工程复合材料

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。

旋转3D打印可以用于在3D打印部件的每个位置实现最佳或接近最佳的光纤布置,从而以更少的材料获得更高的强度和刚度。 与之前市场上出现的使用磁场或电场来定向纤维不同,哈佛大学的这个发明是通过控制粘性油墨本身的流动来赋予所需的纤维取向。

哈佛大学发明出“旋转3D打印”,可以通过挤出式热塑性塑料3D打印制造可编程工程复合材料

图片:哈佛大学Jennifer A Lewis教授

据称,“旋转3D打印”的喷嘴概念可用于任何材料挤压3D打印方法,从熔融丝制造,直接墨水书写,到大规模热塑性增材制造等不同的3D打印技术。并且适合任何填充材料,从碳、玻璃纤维到金属或陶瓷晶须甚至是血小板。

这种技术适合于工程材料的3D打印,可以通过空间编程以达到特定的机械性能指标;可以对纤维的定向进行局部优化,以提高在加载过程中预期承受最高应力的位置处的损伤容限。

这提供了一个新的途径来生产复杂的微观结构,并可控制地改变不同位置的微观结构。 对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制,这大大扩展了设计空间,可以进一步优化可编程材料的属性。

这项研究发表在“美国国家科学院院刊”上,这项工作是在哈佛的刘易斯实验室进行的。合作者包括前博士后研究员Brett Compton,现任诺克斯维尔田纳西大学机械工程系助理教授,宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学助理教授Jordan Raney;以及苏黎世联邦理工学院访问博士生Jochen Mueller。

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