哈佛大學開發出「旋轉3D列印」可平衡部件強度和損傷容限

來自哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院的研究人員開發出了一種3D列印方法，可以對聚合物基質中嵌入的短纖維進行前所未有的控制，他們稱之為「旋轉3D列印」。

旋轉3D列印可以產生具有高度損傷容限的更強的部件

在尋找3D列印部件的最高強度和損傷容限的過程中，研究人員可以探索幾種途徑，每種途徑都會影響列印物品的質量。尋找最好和最合適的3D列印過程是一個可以理解的重要部分，而選擇一個強大的、可列印的材料也起著重要的作用。 3D列印物體的微觀結構（例如，是否由微小的格子組成）是另一個可以極大地影響列印部件性能的區域。

對於哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的一組研究人員來說，有一個新的變數需要考慮，一個可以證明使用環氧樹脂複合材料製造的平均高強度3D列印部件的差異。這個新的因素是纖維取向，一個可以使用研究人員新開發的「旋轉3D列印」技術精確控制的變數。

在由傑出的3D列印技術專家Jennifer A. Lewis、哈佛SEAS生物啟發工程教授Hansjorg Wyss和3D印表機公司Voxel8共同領導的一項研究中，SEAS的研究人員開發了一種新的增材製造工藝，提供前所未有的排列控制嵌入聚合物基質中的短纖維。其結果是3D列印結構材料的能力，對強度、剛度和損傷容限進行了優化。

令人興奮的「旋轉3D列印」過程的關鍵在於3D印表機噴嘴的速度和旋轉的精確編排，這使得研究人員能夠對嵌入式纖維在聚合物基體中的排列進行編程。該設置看似簡單：旋轉列印頭系統配備有步進電機，該步進電機用於在3D列印墨被擠出到列印台上並隨後到連續層上時調節旋轉噴嘴的角速度。

Jennifer A. Lewis擔任3D列印研究的高級研究員

Lewis說：「能夠在工程複合材料中局部控制纖維取向是一個巨大的挑戰。」他認為，新的3D列印工藝使研究人員更接近於複製自然界中發現的那種均衡有效的結構：木頭，骨頭，牙齒等「。我們現在可以用分層的方式來圖案化材料，就像自然構建的方式一樣。」

這種以自然為靈感的3D列印工藝可用於在3D列印部件的每個區域實現「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度和剛度。此外，研究人員認為他們的過程比使用磁場或電場來定向纖維更有效，而是直接控制3D列印油墨的流動。

也許從增材製造的角度來看最有趣的是，SEAS的研究人員說，旋轉3D列印不是專門用於任何形式的材料沉積。這意味著現有的3D列印工藝，如FDM，直接墨水書寫，甚至大規模的熱塑性塑料增材製造，都可以通過旋轉噴嘴進行增強，以創造出更強大，更耐損壞的部件。

新技術還可以讓用戶列印可以進行空間編程的工程材料，以達到「特定的性能目標」。局部優化纖維的取向可以例如增加零件區域中關鍵位置的損傷容限，在指定的最終用途應用中承受高度的壓力。

Jordan Raney是這個項目的研究人員之一，現在是賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系助理教授，他認為這個定位是旋轉3D列印最重要的方面之一。 Raney表示：「這項工作令人激動的事情之一就是它提供了一個生產複雜微觀結構的新途徑，並可以可控地改變不同地區的微觀結構，」Raney說，「對結構的更多控制意味著對所得結果的更多控制。

記錄研究結果的研究論文已發表在PNAS雜誌上。其他貢獻者還包括諾克斯維爾田納西大學（University of Tennessee）機械工程助理教授Brett Compton以及來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的博士生Jochen Mueller。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！