哈佛大學通過旋轉(zhuǎn)3D打印解決了自然界的復合材料難題

 

        復合材料天然存在于牙齒和貝類中，或者人工合成為鋼筋混凝土、輪胎和膠合板等，其高強度依賴于纖維的排列。然而在人造物件上，難題仍然是如何復制大自然的規(guī)律。 

 

       研究的第一作者Jennifer A.Lewis評論說：“我們現(xiàn)在可以以一種分層的方式來排列材料，類似于自然的構(gòu)建方式。 

 

      從流體入手 

 

      之前一些其他方法使用磁場或電場來作為排列聚合物組織中纖維的手段。然而，添加這些電流在原本相對簡單的沉積過程上增加了另一種程度的復雜性。 

 

       相反，Lewis實驗室的方法研究3D打印墨水的流變學---或者說物質(zhì)如何流動，本質(zhì)上是一種液體電流，使混合物中的纖維排列。 

 

      引入旋轉(zhuǎn) 

 

       作為標準擠壓機的替代，該實驗室的3D打印機有一個快速旋轉(zhuǎn)的噴嘴，用來存放環(huán)氧基液體原料，而不是纖維絲。通過精確地編排噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)，團隊能夠有效地規(guī)劃纖維的排列和內(nèi)容，從而為變化的材料提供始終如一的剛度。 

 

       “這項研究的一個令人興奮的地方是，它提供了一種新的途徑來制造復雜的微觀結(jié)構(gòu)，并且可控地改變從一個區(qū)域到另一個的微觀結(jié)構(gòu)。“合著者Jordan Raney解釋說。 

 

       團隊成員之一、哈佛大學的博士后研究員Raney現(xiàn)在是賓夕法尼亞大學的機械工程和應用力學助理教授,在那他主要研究“控制材料系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的新方法。” 

 

       從納米到宏觀 

 

       旋轉(zhuǎn)3D打印是獨立于電或磁電流的一種通用方法，可用于任何材料擠壓法(FFF/FDM，直接墨水書寫，BAAM)，并存放任何填充材料，包括碳纖維和陶瓷片。 

 

       另一位合著者，Brett Compton，現(xiàn)在是諾克斯維爾市的田納西大學機械工程學院的助理教授。他工作于橡樹嶺大面積添加劑制造工程(BAAM)方法的研究。 

 

        研究結(jié)果由合著者Brett Compton , Jordan Raney ,Jochen Mueller和Jennifer A.Lewis共同發(fā)布在《PNAS》雜志上。項目由美國海軍研究局和來自德國的工具制造業(yè)投資家GETTYLAB提供資助，知識產(chǎn)權(quán)受到哈佛科技發(fā)展辦公室的保護。