哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)一種“旋轉(zhuǎn)3D打印”方法

來自哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種3D打印方法，可以對(duì)聚合物基質(zhì)中嵌入的短纖維進(jìn)行前所未有的控制。他們稱之為“旋轉(zhuǎn)3D打印”。

在尋找3D打印部件的最高強(qiáng)度和損傷容限的過程中，研究人員可以探索幾種途徑，每種途徑都會(huì)影響打印物品的質(zhì)量。尋找最好和最合適的3D打印過程是一個(gè)可以理解的重要部分，而選擇一個(gè)強(qiáng)大的，可打印的材料也起著重要的作用。 3D打印物體的微觀結(jié)構(gòu)（例如，是否由微小的格子組成）是另一個(gè)可以極大地影響打印部件性能的區(qū)域。

對(duì)于哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的一組研究人員來說，有一個(gè)新的變量需要考慮，一個(gè)可以證明使用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造的平均高強(qiáng)度3D打印部件的差異。這個(gè)新的因素是纖維取向，一個(gè)可以使用研究人員新開發(fā)的“旋轉(zhuǎn)3D打印”技術(shù)精確控制的變量。

在由杰出的3D打印技術(shù)Jennifer A. Lewis，哈佛SEAS生物啟發(fā)工程Hansjorg Wyss教授和3D打印機(jī)公司Voxel8的大腦領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究中，SEAS的研究人員開發(fā)了一種新的增材制造工藝，提供前所未有的排列控制嵌入聚合物基質(zhì)中的短纖維。其結(jié)果是3D打印結(jié)構(gòu)材料的能力，對(duì)強(qiáng)度，剛度和損傷容限進(jìn)行了優(yōu)化。

令人興奮的“旋轉(zhuǎn)3D打印”過程的關(guān)鍵在于3D打印機(jī)噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)的精確編排，這使得研究人員能夠?qū)η度胧嚼w維在聚合物基體中的排列進(jìn)行編程。該設(shè)置看似簡(jiǎn)單：旋轉(zhuǎn)打印頭系統(tǒng)配備有步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)用于在3D打印墨被擠出到打印臺(tái)上并隨后到連續(xù)層上時(shí)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)噴嘴的角速度。

Lewis說：“能夠在工程復(fù)合材料中局部控制纖維取向是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”他認(rèn)為，新的3D打印工藝使研究人員更接近于復(fù)制自然界中發(fā)現(xiàn)的那種均衡有效的結(jié)構(gòu)：木頭，骨頭，牙齒等�！拔覀儸F(xiàn)在可以用分層的方式來圖案化材料，就像自然構(gòu)建的方式一樣�！�

這種以自然為靈感的3D打印工藝可用于在3D打印部件的每個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)“最佳或接近最佳”的光纖布置，這意味著使用更少的材料可獲得更高的強(qiáng)度和剛度。此外，研究人員認(rèn)為他們的過程比使用磁場(chǎng)或電場(chǎng)來定向纖維更有效，而是直接控制3D打印油墨的流動(dòng)。

也許從增材制造的角度來看最有趣的是，SEAS的研究人員說，旋轉(zhuǎn)3D打印不是專門用于任何形式的材料沉積。這意味著現(xiàn)有的3D打印工藝，如FDM，直接墨水書寫，甚至大規(guī)模的熱塑性塑料添加劑制造，都可以通過旋轉(zhuǎn)噴嘴進(jìn)行增強(qiáng)，以創(chuàng)造出更強(qiáng)大，更耐損壞的部件。

新技術(shù)還可以讓用戶打印可以進(jìn)行空間編程的工程材料，以達(dá)到“特定的性能目標(biāo)”。局部?jī)?yōu)化纖維的取向可以例如增加零件區(qū)域中關(guān)鍵位置的損傷容限，在指定的最終用途應(yīng)用中承受高度的壓力。

Jordan Raney是這個(gè)項(xiàng)目的研究人員之一，現(xiàn)在是賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授，他認(rèn)為這個(gè)定位是旋轉(zhuǎn)3D打印最重要的方面之一。 Raney表示：“這項(xiàng)工作令人激動(dòng)的事情之一就是它提供了一個(gè)生產(chǎn)復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的新途徑，并可以可控地改變不同地區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，”Raney說，“對(duì)結(jié)構(gòu)的更多控制意味著對(duì)所得結(jié)果的更多控制。”

記錄研究結(jié)果的研究論文已發(fā)表在PNAS雜志上。其他貢獻(xiàn)者還包括諾克斯維爾田納西大學(xué)（University of Tennessee）機(jī)械工程助理教授Brett Compton以及來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的博士生Jochen Mueller。

aau3d編譯自：3ders.org