「旋轉3D列印」是神馬？哈佛大學通過擠出式熱塑性塑料3D列印製造可編程工程複合材料

近日，哈佛大學John Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的研究小組已經表明，他們的新型3D列印技術，其噴嘴的速度和旋轉經過精確設計，能對聚合物基質中嵌入纖維的排列進行編程，是生物複合材料設計的一大飛躍。新的方法對嵌入塑料基質中的短纖維排列產生前所未有的控制。

大自然「生產」的木頭、骨頭、牙齒和貝殼等精緻複合材料，是輕質和密度與所需的機械性能完美結合。然而，再現自然界中發現的特殊機械性能和複雜微結構，則頗具挑戰。而哈佛大學團隊研發的「旋轉3D列印」技術，對聚合物基質中嵌入的短纖維排列具有超強控制能力。研究人員使用這種增材製造技術在特定位置對環氧樹脂複合材料內的纖維排列進行編程，創建出對強度、剛度和損傷容限進行優化的結構材料。

該研究的資深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物啟發工程學院Hansjorg Wyss教授說：「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。現在我們可以用分層的方式對材料進行圖案化，就像自然構建的方式一樣。」

這一方法的關鍵在於精確編排3D印表機噴嘴的速度和旋轉，以便對聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進行編程。這一技術通過為旋轉列印頭系統配備步進電機來實現，其可引導旋轉噴嘴在墨水被擠出時的角速度。由於其墨水設計具模塊化特性，可實現使用多種不同填料和基體的組合來定製列印對象的電學、光學或熱性能，因而應用範圍較廣。據項目負責人介紹，實現在工程複合材料中對纖維排列進行局部控制，是一個巨大挑戰。該團隊目前能夠用分層的方式來構造材料，接近自然構造方式。

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旋轉3D列印可以用於在3D列印部件的每個位置實現最佳或接近最佳的光纖布置，從而以更少的材料獲得更高的強度和剛度。 與之前市場上出現的使用磁場或電場來定向纖維不同，哈佛大學的這個發明是通過控制粘性油墨本身的流動來賦予所需的纖維取向。

圖片：哈佛大學Jennifer A Lewis教授

據稱，「旋轉3D列印」的噴嘴概念可用於任何材料擠壓3D列印方法，從熔融絲製造，直接墨水書寫，到大規模熱塑性增材製造等不同的3D列印技術。並且適合任何填充材料，從碳、玻璃纖維到金屬或陶瓷晶須甚至是血小板。

這種技術適合於工程材料的3D列印，可以通過空間編程以達到特定的機械性能指標;可以對纖維的定向進行局部優化，以提高在載入過程中預期承受最高應力的位置處的損傷容限。

這提供了一個新的途徑來生產複雜的微觀結構，並可控制地改變不同位置的微觀結構。 對結構的更多控制意味著對結果屬性的更多控制，這大大擴展了設計空間，可以進一步優化可編程材料的屬性。

這項研究發表在「美國國家科學院院刊」上，這項工作是在哈佛的劉易斯實驗室進行的。合作者包括前博士後研究員Brett Compton，現任諾克斯維爾田納西大學機械工程系助理教授，賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學助理教授Jordan Raney;以及蘇黎世聯邦理工學院訪問博士生Jochen Mueller。

180頁3D列印行業應用白皮書（2017）

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