卓越的3D打印方法生产高性能复合材料

自然界创造了很多极具吸引力复合材料,如木头、牙齿、骨骼和贝壳,这些复合材料能够将轻量化和密度,以及必要的机械性能如强度、刚度和损伤耐受性相结合。

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旋转的3D打印机能够精确的控制打印机喷嘴的速度和旋转,从而对聚合物基体中嵌入的纤维进行编程。这是通过一个带有旋转打印喷头的装备和一个步进电机来控制旋转喷嘴中喷出的墨水的角速度。(图片来源:Brett Compton/SEAS)

自从古代先民们将泥土和稻草结合在一起形成砖块,人们制造的工程复合材料越来越复杂、性能越来越好。然而,复制在自然界中发现的非凡的力学性能和多面微观结构是很困难的。

目前,哈佛大学的John A. Paulson工程和应用科学学院的研究人员展示了一种新颖的3D打印技术,它能对嵌入在聚合物基体中的短纤维的排列方式进行特殊的控制。他们使用这种增量制造方法,在特殊的环氧复合材料中对纤维取向进行编程,从而形成了增加刚度、强度、和损伤耐受性的结构材料。

他们的技术被称为“旋转3D打印”,可能有广泛的应用。鉴于其喷嘴的模块化设计,可以应用于不同的填料和基体组合来定制打印材料的光学、电学或热学性质。

该研究的资深研究员Jennifer A.说:“能够局部控制纤维在工程复合材料方向是一个巨大的挑战。”哈佛海洋生物启发工程中心的Hansjor教授说:“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。” Lewis研究院也是哈佛大学生物启发工程中心的核心学院。

该项研究是在哈佛大学Lewis实验室做成的,已经发表在PANS上。合作者包括博士后Brett Compton(现为诺克斯维尔田纳西大学机械工程系助理教授)和Jordan Raney(现为宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授);并且还有瑞士苏黎世联邦理工学院Kristina Shea教授的实验室的访问博士生Jochen Mueller。

他们方法的关键是精确的编排3D打印机喷嘴的旋转角度和速度,以便对聚合物基体中嵌入的纤维进行精确控制。这是通过将旋转打印喷嘴系统和步进机装配在一起,以指导旋转喷嘴中的墨水以一定的角速度喷出。

Brett Compton 说道:“旋转3D打印可应用于打印零件的任何位置从而实现最佳或者接近最佳的纤维排列,从而增强材料的强度和刚度。我们不是用磁场或者电场来定向纤维,而是控制粘性油墨本身的流动,来产生所需的纤维取向。”

Compton提到,该团队的旋转喷嘴概念可以应用于任何材料的3D打印技术,其不仅可以应用于直接的墨水书写,还可以应用于融合长丝制造到大规模热塑性添加剂制造,并且其可以使用任何填充材料(从碳和玻璃纤维到金属或者陶瓷和晶须)。

另外,该材料还允许工程材料的3D打印,工程材料可以被编程而实现特定的性能目标。例如,可以局部增强纤维的取向,以提高在加载期间经受最大应力位置处的损伤容限,从而硬化材料的潜在失效点。

Jordan Raney 说道:“这项工作令人振奋的一点是,它提供了一个新的产生复杂的微观结构的途径,并且此微观结构是可控的。从一个区域到另一个区域,对结构的更多控制意味着对结果性能的更多控制,则大大的拓展了可以利用的设计空间,进一步优化了属性。”

没有参加这项研究的麻省理工学院材料科学与工程教授Lorna J. Gibson说道:“生物复合材料通常具有显着的机械性能:单位重量下的高强度、高刚度以及高韧性。受到生物复合材料的启发,工程材料设计的突出挑战之一是在小尺度和局部水平上控制纤维的取向。Lewis实验室的这篇非凡的文章证明了这一点,这是生物复合材料设计的一个巨大的飞跃。”

此前,Lewis实验室在组织结构的3D打印方面进行了开创性的研究工作,包括血管组织、锂离子微电池和第一个全自动、完全柔软的机器人。

该研究的其他共同作者包括哈佛的Thomas Ober和苏黎世大学的Kristina Shea。

该项目得到了海军研究所和GETTYLAB的支持。另外,哈佛技术开发办公室保护与这项研究有关的知识产权。

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