馬里蘭大學(xué)研發(fā)可變形3D打印噴嘴可實(shí)現(xiàn)4D打印零件

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來(lái)自馬里蘭大學(xué)(UMD)帕克分校機(jī)械工程系的研究人員們開(kāi)發(fā)了一種新的可以"變形"的3D打印噴嘴，他們的研究成果作為頭版頭條發(fā)表在1月5日出版的Advanced Materials Technologies雜志上。論文標(biāo)題為"MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing"。

此圖顯示了按需更改噴嘴形狀的方法，這提供了在3D打印期間控制纖維對(duì)齊的新方法

該團(tuán)隊(duì)的變形噴嘴為研究人員提供了3D打印"纖維填充復(fù)合材料"的新手段，這種材料由短纖維組成，可以提高傳統(tǒng)3D打印部件的特殊性能，如增強(qiáng)部件強(qiáng)度/導(dǎo)電性。但是，這些性能都取決于短纖維的方向性，到目前為止，3D打印過(guò)程中還很難準(zhǔn)確控制短纖維對(duì)齊。因此，UMD的助理教授兼實(shí)驗(yàn)室主任Ryan D. Sochol和他的同事們提出了一種變形噴嘴，用于增材制造纖維填充的復(fù)合材料。

同時(shí)作為該研究的主要負(fù)責(zé)人的Ryan Sochol表示，當(dāng)使用變形噴嘴進(jìn)行3D打印時(shí)，動(dòng)力在于它們的側(cè)面致動(dòng)器，這些致動(dòng)器可以像氣球一樣充氣，通過(guò)改變噴嘴的形狀，進(jìn)而改變纖維的方向。

研究人員開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)按需更改噴嘴形狀方法提供了在3D打印期間控制纖維對(duì)齊的新方法。他們動(dòng)態(tài)調(diào)整纖維取向的結(jié)果以及反過(guò)來(lái)，印刷復(fù)合材料的溶脹性能也有望用于“ 4D打印”應(yīng)用。

4D打印是相對(duì)較新的概念，自2013年首次定義化以來(lái)，4D打印就引起了廣泛的關(guān)注。與3D打印創(chuàng)建的靜態(tài)對(duì)象相比，4D打印在3D打印結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以響應(yīng)外部刺激（例如溫度，光線，水等），并隨著時(shí)間改變其形狀、性質(zhì)或功能，從而使3D打印更加生動(dòng)（如下動(dòng)圖所示）。到目前為止，大多數(shù)4D打印都涉及3D打印技術(shù)和可變形材料或結(jié)構(gòu)。形變的基本機(jī)制是在打印過(guò)程中或打印之后直接使用智能材料或在打印對(duì)象內(nèi)產(chǎn)生局部特征應(yīng)變（或失配應(yīng)變）。應(yīng)當(dāng)指出，由特征應(yīng)變創(chuàng)建可變形結(jié)構(gòu)已經(jīng)在智能材料研究界廣泛使用了很長(zhǎng)時(shí)間。但是，許多設(shè)計(jì)無(wú)法制造。從這個(gè)意義上講，4D打印大大加快了智能材料和結(jié)構(gòu)的研究。

動(dòng)圖顯示了從臨時(shí)彎曲形狀中恢復(fù)的復(fù)雜3D打印結(jié)構(gòu)的埃菲爾鐵塔。

4D打印的最新進(jìn)展依賴于能夠同時(shí)進(jìn)行 "各向異性"膨脹的材料，即在一個(gè)方向上比另一個(gè)方向上膨脹更多，以及"各向同性"膨脹，即在所有方向上膨脹相同。不幸的是，在這些條件之間切換通常需要研究人員用多種不同的材料進(jìn)行打印。

在本研究中，研究人員研究了打印部件在浸入水中時(shí)如何膨脹，并驗(yàn)證了是否可以使用變形噴嘴改變這種膨脹行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，只需在3D打印過(guò)程中改變噴嘴的形狀，就可以使單一的打印材料在各向異性和各向同性膨脹之間轉(zhuǎn)換。重要的是，研究人員Noah Todd表示，噴嘴的變形能力和在膨脹特性方面的均分能力并不限于4D打印。他們的方法可以應(yīng)用于3D打印許多其他復(fù)合材料，例如定制它們的彈性、熱、磁或電性能。

為了構(gòu)建變形噴嘴本身，該團(tuán)隊(duì)采用了一種不同的3D打印技術(shù)，即PolyJet打印。PolyJet可以被認(rèn)為是熔融沉積技術(shù)的近親。與FDM一樣，它通過(guò)使用擠出機(jī)頭一次一層地打印零件來(lái)工作。然而，PolyJet不是使用細(xì)絲在印刷床上沉積材料，而是以更接近2D噴墨印刷的方式工作，擠出機(jī)在印刷床上沉積所選擇的光聚合物材料的微小液滴，然后用紫外光固化。這種由UMD的Terrapin Works 3D打印中心提供的基于多材料噴墨的方法，使研究人員能夠用柔性材料為充氣側(cè)執(zhí)行器和形狀變化的中央通道進(jìn)行3D打印他們的噴嘴，而后又用剛性材料作為外殼和端口。

△同時(shí)打印硬性材料和柔性材料示例

該團(tuán)隊(duì)正在將探索他們的新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，批量打印的物體可以在來(lái)自身體的特定刺激下重塑形狀。此外，該團(tuán)隊(duì)還在與幾個(gè)國(guó)防部實(shí)驗(yàn)室討論使用變形噴嘴來(lái)提供國(guó)防和其他軍事系統(tǒng)的武器生產(chǎn)。

本文來(lái)源：Connor D. Armstrong et al, MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing (Adv. Mater. Technol. 1/2021), Advanced Materials Technologies (2021). DOI: 10.1002/admt.202170004