3D打印方法允许控制嵌入聚合物中的短纤维的排列

哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一个研究小组利用增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料中的纤维取向进行编程,从而能够创造出对强度,刚度和强度都有优化的结构材料损伤容忍度。

3D打印方法允许控制嵌入聚合物中的短纤维的排列-复合材料网

大自然已经产生了精致的复合材料,例如木头,骨头,牙齿和贝壳,它们结合了重量轻和密度以及所需的机械特性,如刚度,强度和损伤容限。

由于古代文明首先将秸秆和泥土结合起来形成砖块,人们制造出性能和复杂性日益提高的工程复合材料。但是,复制在自然界中发现的卓越的力学性能和复杂的微观结构一直是一个挑战。

现在,哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一个研究小组已经展示了一种新颖的3D打印方法,该方法对聚合物基质中嵌入的短纤维排列产生前所未有的控制。他们使用这种增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料中的纤维取向进行编程,从而能够创建针对强度,刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

他们的方法,被称为“旋转3D打印”,可以有广泛的应用范围。考虑到其墨水设计的模块化特性,可以实现许多不同的填充物和基体组合,以调整打印物体的电,光学或热性质。

该研究的资深作者Jennifer A. Lewis,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,类似于自然界所建立的方式。”刘易斯也是哈佛大学Wyss生物创新工程学院的核心教员。
在PNAS杂志上描述的这项工作是在哈佛的刘易斯实验室进行的。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助理教授); 并在瑞士苏黎世联邦理工学院Kristina Shea教授的实验室访问博士生Jochen Mueller。

Compton说:“旋转3D打印可以用来在印刷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。” “我们不是使用磁场或电场来定向纤维,而是控制粘性油墨本身的流动来赋予所需的纤维取向。
康普顿指出,团队的喷嘴概念可以用于任何材料挤压印刷方法,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,从碳和玻璃纤维到金属或陶瓷晶须和血小板。

该技术允许对可以空间编程的工程材料进行3D打印以实现特定的性能目标。例如,可以对纤维的取向进行局部优化,以增加在加​​载过程中预期承受最高应力的位置处的损伤容限,从而硬化潜在的失效点。

Raney说:“这项工作令人兴奋的事情之一是,它提供了一个新的途径来生产复杂的微观结构,并可控制地改变各个地区的微观结构。“对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制,这极大地扩展了可用于进一步优化属性的设计空间。”
“生物复合材料通常具有显着的机械性能:单位重量的高刚度和高强度以及高韧性。受生物复合材料启发的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取向。 “麻省理工学院材料科学与工程系教授Lorna J. Gibson并未参与此项研究,”刘易斯集团的这篇杰出论文证明了这一点,这代表了生物设计的一个巨大飞跃。灵感复合材料“。
哈佛技术开发办公室保护了与这个项目有关的知识产权。

此前,刘易斯在组织结构的三维打印与脉管系统,锂离子微电池和第一个自主的,完全软的机器人进行了突破性的研究。

其他撰稿人包括哈佛SEAS的Thomas Ober和苏黎世ETH的Kristina Shea。

这项研究得到了海军研究办公室和GETTYLAB的支持。

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