滑鐵盧大學(xué)：利用功能分級(jí)陶瓷3D打印燈罩

2023年1月18日，南極熊獲悉，加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員提出了一種利用功能分級(jí)陶瓷3D打印家居用品的新穎方法。



研究人員通過(guò)對(duì)功能梯度材料進(jìn)行精確編譯，可以賦予它們不同的表面特性，使其滿足特定應(yīng)用的需求。Waterloo團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種分級(jí)的粘土基復(fù)合材料，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出在濕法加工過(guò)程中改變其形狀的方法，并將3D打印應(yīng)用到可以“分級(jí)”燈照明的燈罩上。


△正在 3D 打印的研究人員之一的燈罩。照片來(lái)自滑鐵盧大學(xué)的 James Clarke-Hicks。

改變打印件構(gòu)建結(jié)構(gòu)
當(dāng)提及到目前建筑行業(yè)使用的陶瓷配方時(shí)，人們往往是研究材料的均勻性。這是因?yàn)楦鱾�(gè)陶瓷單元之間的一致性能夠提高生產(chǎn)過(guò)程的可預(yù)測(cè)性和成本，并且還有助于將它們應(yīng)用到如磚塊或瓷磚等地方。

傳統(tǒng)粘土制造的另一個(gè)核心要素在于材料性能屬性的調(diào)節(jié)，這是一種能夠最大限度地減少變形的方法。粘土加工有許多成型方法，包括在濕法加工過(guò)程中使用模具等方法。 通過(guò)在粘土3D打印部件中利用其塑性變形特點(diǎn)，滑鐵盧大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出，有可能實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的具有“可變截面”的構(gòu)建結(jié)構(gòu)。研究人員指出，這在創(chuàng)建具有所需穩(wěn)定性、截面寬度和孔隙率的結(jié)構(gòu)時(shí)很有用途，例如從不透明到高度多孔的結(jié)構(gòu)。


△工程師的自定義數(shù)字工具路徑。圖片來(lái)自滑鐵盧大學(xué)。

創(chuàng)建功能漸變的結(jié)構(gòu)
一旦他們配制出功能分級(jí)材料，該團(tuán)隊(duì)便著手開(kāi)發(fā)一種適用于此材料的精確3D打印方法。用粘土生產(chǎn)零件比用聚合物有難度，因?yàn)樗�更重、粘彈性更高、界面結(jié)合力更低，這些特性可能會(huì)導(dǎo)致3D模型與其打印模型之間存在差異。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員決定放棄切片軟件，并在 Grasshopper 中提出他們自己的刀具路徑設(shè)計(jì)，利用材料的下垂特性，創(chuàng)建非平面結(jié)構(gòu)。

在多次迭代工具路徑以減少幾何生成、打印分辨率、擠壓域和速度值的數(shù)字變量數(shù)量后，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中進(jìn)行了使用。滑鐵盧工程師利用液體沉積(LDM) 3D打印技術(shù)，制造了具有功能分級(jí)的孔徑，使得光屏具有改變照明亮度的不同孔隙率。

通過(guò)沉積一系列無(wú)支撐的懸垂物創(chuàng)建孔徑，研究人員使用三種不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，光屏分別具有小、中和大間隙。雖然其中最小的具有單層的孔徑，但較大的構(gòu)建分別使用11層和17層的循環(huán)制造方式，每種情況最終都產(chǎn)生了成功的結(jié)構(gòu)。

研究人員實(shí)驗(yàn)中最令人印象深刻的方面是最大的燈罩包含兩種不同的圖案，它們重疊在其外部形成兩個(gè)不同的照明架。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)表示他們的方法可以“應(yīng)用于多種基礎(chǔ)幾何形狀”，包括燈具、裝飾性組件和隱私屏幕等。


△研究人員 3D 打印功能梯度材料方法的概述。照片來(lái)自滑鐵盧大學(xué)。

其他粘土3D打印
雖然在 3D 打印行業(yè)中并不常見(jiàn)，但作為建筑材料，它十分常用。WASP是該領(lǐng)域的早期領(lǐng)導(dǎo)者之一，該公司繼續(xù)推進(jìn)其粘土兼容技術(shù)，2021年還成功打印了本田的 3D 打印摩托車(chē)模型。



在其他更具實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用中，代爾夫特理工大學(xué)的研究人員此前也開(kāi)發(fā)了一種基于煅燒粘土的 3D 打印水泥。與傳統(tǒng)水泥相比，這種新型陶瓷可以提供更好的流動(dòng)一致性、水合性能和可施工性，這些都是精密擠壓的關(guān)鍵方面。

更多研究?jī)?nèi)容可下載原文查看：https://doi.org/10.1007/s44150-022-00079-0