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美利坚合作国动用旋转三维打字与印刷刷作高强

2019-11-24 作者:移动互联   |   浏览(91)

据美国媒体近日报道,哈佛大学一个研究团队利用旋转3D打印喷头和精确控制的位置移动,使打印出的材料具有木材等自然材料才有的微观纤维结构,从而显著增强了复合材料的强度。这项研究成果获得美国海军实验室和增材制造投资公司GettyLab的资助,发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。 天然存在的复合材料,如牙齿、贝壳等,利用纤维结构的排列来提高强度。为了模仿自然界这一特性,此前增材制造业曾利用电磁场等途径在聚合物中布置纤维结构,但这些手段会显著增加制造的复杂程度,并难以做到局部控制。哈佛大学工程与应用工程学院的研究团队利用流变学在3D打印中成功生成了微观结构。该项目的3D打印机利用一个高速旋转的喷嘴沉积基于环氧树脂的液体原料,通过精确控制喷嘴的旋转速度和位置,可以有效地控制纤维的排列形态,从而在生成的材料中提供不同的刚度,并且可以在不同的区域中实现不同的微观结构。

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该方法可以在多种增材制造技术中使用,如熔融沉积成型(FDM)、直接喷墨成型(DIW)、大面积增材制造(BAAM)等,并可应用于多种材料,包括碳纤维与陶瓷。未来旋转3D打印技术有望为增材制造开辟新的空间。

天然复合材料如木材和骨头,其可以说是轻质和密度与所需的机械性能进行了完美的结合,这通常是由于系统内纤维的复杂和多样化排列造成的。尽管人类已经能够制造出越来越复杂的复合材料,但是,想要再现自然界中发现的特殊机械性能和复杂微结构,则仍颇具挑战。由哈佛大学研究人员开发的一种名为“旋转3D打印”的新型技术,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,堪称是生物复合材料设计的一大飞跃。

来自哈佛JohnA.Paulson工程与应用科学学院的研究人员,提出了一种受自然复合材料启发的全新3D打印方法。这项新技术是为了能够在打印部件的每个位置都实现最佳的短纤维排列。

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。”

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。

该团队的论文发表于2月份的《美国国家科学院院刊》上,并称这种方法为“旋转3D打印”技术。该方法通过使用能够控制喷射速度和旋转角度的喷嘴,来对聚合物基体中的嵌入式纤维的排列进行编程,创建出对强度、刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

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。

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。

虽然刘易斯的团队致力于制造碳纤维环氧树脂复合材料,但该方法可能具有深远的应用前景。旋转喷嘴理论上可以用于任何材料的挤出打印方式,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。

生物复合材料通常具有显著的机械性能: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。

原文来自compositesworld.原文题目:Biomimicry in 3D printing.

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