大自然“生產”的木頭、骨頭、牙齒和貝殼等精致復合材料，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復雜微結構，則頗具挑戰。而哈佛大學團隊研發的“旋轉3D打印”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制造技術在特定位置對環氧樹脂復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。
 

        這一方法的關鍵在于精確編排3D打印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打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。由于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制打印對象的電學、光學或熱性能，因而應用范圍較廣。據項目負責人介紹，實現在工程復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。
 

        這一技術可使打印部件的每個位置實現最佳或接近最佳的纖維布置，從而以更少的材料獲得更高的強度和剛度。其通過控制墨水本身的流動來賦予所需的纖維排列，而非通過磁場或電場來定向纖維。
 

        “旋轉3D打印”的噴嘴概念適用于任何材料擠壓打印方式，從熔融絲制造、直接墨水書寫，到大規模熱塑性添加劑制造以及任何填充材料，從碳和玻璃纖維到金屬或陶瓷晶須和血小板。
 

        該技術可實現能進行空間編程的工程材料的3D打印，以達成特定的性能目標。譬如，可對纖維的排列進行局部優化，以提升在加載、硬化潛在失效點過程中，預計會承受最高應力位置的損傷容限。
 

        “旋轉3D打印”技術提供了一種新型制造復雜微觀結構的途徑，并能可控地改變不同區域的微觀結構。對結構的更多控制意味著對結果屬性的更多控制，這極大地擴展了可用于進一步優化屬性的設計空間。
 

        生物復合材料通常具有顯著的機械性能：單位重量的高剛度、高強度以及高韌性。設計由生物復合材料啟發的工程材料的突出挑戰之一，即在小范圍和局部水平上控制纖維排列。哈佛大學團隊的這一成果則證明了這一方式的可行性，是生物復合材料設計的一大飛躍。