旋轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)能夠精確的控制打印機(jī)噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)聚合物基體中嵌入的纖維進(jìn)行編程。這是通過(guò)一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)打印噴頭的裝備和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制旋轉(zhuǎn)噴嘴中噴出的墨水的角速度。

 

      自從古代先民們將泥土和稻草結(jié)合在一起形成磚塊，人們制造的工程復(fù)合材料越來(lái)越復(fù)雜、性能越來(lái)越好。然而，復(fù)制在自然界中發(fā)現(xiàn)的非凡的力學(xué)性能和多面微觀結(jié)構(gòu)是很困難的。

 

      目前，哈佛大學(xué)的John A. Paulson工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員展示了一種新穎的3D打印技術(shù)，它能對(duì)嵌入在聚合物基體中的短纖維的排列方式進(jìn)行特殊的控制。他們使用這種增量制造方法，在特殊的環(huán)氧復(fù)合材料中對(duì)纖維取向進(jìn)行編程，從而形成了增加剛度、強(qiáng)度、和損傷耐受性的結(jié)構(gòu)材料。

 

      他們的技術(shù)被稱為“旋轉(zhuǎn)3D打印”，可能有廣泛的應(yīng)用。鑒于其噴嘴的模塊化設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于不同的填料和基體組合來(lái)定制打印材料的光學(xué)、電學(xué)或熱學(xué)性質(zhì)。

 

      該研究的資深研究員Jennifer A.說(shuō)：“能夠局部控制纖維在工程復(fù)合材料方向是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”哈佛海洋生物啟發(fā)工程中心的Hansjor教授說(shuō)：“現(xiàn)在我們可以用分層的方式對(duì)材料進(jìn)行圖案化，就像自然構(gòu)建的方式一樣。” Lewis研究院也是哈佛大學(xué)生物啟發(fā)工程中心的核心學(xué)院。

 

      該項(xiàng)研究是在哈佛大學(xué)Lewis實(shí)驗(yàn)室做成的，已經(jīng)發(fā)表在PANS上。合作者包括博士后Brett Compton(現(xiàn)為諾克斯維爾田納西大學(xué)機(jī)械工程系助理教授)和Jordan Raney(現(xiàn)為賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授)；并且還有瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Kristina Shea教授的實(shí)驗(yàn)室的訪問(wèn)博士生Jochen Mueller。

 

      他們方法的關(guān)鍵是精確的編排3D打印機(jī)噴嘴的旋轉(zhuǎn)角度和速度，以便對(duì)聚合物基體中嵌入的纖維進(jìn)行精確控制。這是通過(guò)將旋轉(zhuǎn)打印噴嘴系統(tǒng)和步進(jìn)機(jī)裝配在一起，以指導(dǎo)旋轉(zhuǎn)噴嘴中的墨水以一定的角速度噴出。

 

      Brett Compton 說(shuō)道：“旋轉(zhuǎn)3D打印可應(yīng)用于打印零件的任何位置從而實(shí)現(xiàn)最佳或者接近最佳的纖維排列，從而增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度。我們不是用磁場(chǎng)或者電場(chǎng)來(lái)定向纖維，而是控制粘性油墨本身的流動(dòng)，來(lái)產(chǎn)生所需的纖維取向。”

 

      Compton提到，該團(tuán)隊(duì)的旋轉(zhuǎn)噴嘴概念可以應(yīng)用于任何材料的3D打印技術(shù)，其不僅可以應(yīng)用于直接的墨水書寫，還可以應(yīng)用于融合長(zhǎng)絲制造到大規(guī)模熱塑性添加劑制造，并且其可以使用任何填充材料(從碳和玻璃纖維到金屬或者陶瓷和晶須)。

 

      另外，該材料還允許工程材料的3D打印，工程材料可以被編程而實(shí)現(xiàn)特定的性能目標(biāo)。例如，可以局部增強(qiáng)纖維的取向，以提高在加載期間經(jīng)受最大應(yīng)力位置處的損傷容限，從而硬化材料的潛在失效點(diǎn)。

 

      Jordan Raney 說(shuō)道：“這項(xiàng)工作令人振奮的一點(diǎn)是，它提供了一個(gè)新的產(chǎn)生復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)的途徑，并且此微觀結(jié)構(gòu)是可控的。從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)的更多控制意味著對(duì)結(jié)果性能的更多控制，則大大的拓展了可以利用的設(shè)計(jì)空間，進(jìn)一步優(yōu)化了屬性。”

 

      沒(méi)有參加這項(xiàng)研究的麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Lorna J. Gibson說(shuō)道：“生物復(fù)合材料通常具有顯著的機(jī)械性能：?jiǎn)挝恢亓肯碌母邚?qiáng)度、高剛度以及高韌性。受到生物復(fù)合材料的啟發(fā)，工程材料設(shè)計(jì)的突出挑戰(zhàn)之一是在小尺度和局部水平上控制纖維的取向。Lewis實(shí)驗(yàn)室的這篇非凡的文章證明了這一點(diǎn)，這是生物復(fù)合材料設(shè)計(jì)的一個(gè)巨大的飛躍。” 

 

      此前，Lewis實(shí)驗(yàn)室在組織結(jié)構(gòu)的3D打印方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，包括血管組織、鋰離子微電池和第一個(gè)全自動(dòng)、完全柔軟的機(jī)器人。

 

      該研究的其他共同作者包括哈佛的Thomas Ober和蘇黎世大學(xué)的Kristina Shea。

 

      該項(xiàng)目得到了海軍研究所和GETTYLAB的支持。另外，哈佛技術(shù)開(kāi)發(fā)辦公室保護(hù)與這項(xiàng)研究有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。