哈佛大学通过旋转3D打印解决了自然界的复合材料难题

 

        复合材料天然存在于牙齿和贝类中，或者人工合成为钢筋混凝土、轮胎和胶合板等，其高强度依赖于纤维的排列。然而在人造物件上，难题仍然是如何复制大自然的规律。 

 

       研究的第一作者Jennifer A.Lewis评论说：“我们现在可以以一种分层的方式来排列材料，类似于自然的构建方式。 

 

      从流体入手 

 

      之前一些其他方法使用磁场或电场来作为排列聚合物组织中纤维的手段。然而，添加这些电流在原本相对简单的沉积过程上增加了另一种程度的复杂性。 

 

       相反，Lewis实验室的方法研究3D打印墨水的流变学---或者说物质如何流动，本质上是一种液体电流，使混合物中的纤维排列。 

 

      引入旋转 

 

       作为标准挤压机的替代，该实验室的3D打印机有一个快速旋转的喷嘴，用来存放环氧基液体原料，而不是纤维丝。通过精确地编排喷嘴的速度和旋转，团队能够有效地规划纤维的排列和内容，从而为变化的材料提供始终如一的刚度。 

 

       “这项研究的一个令人兴奋的地方是，它提供了一种新的途径来制造复杂的微观结构，并且可控地改变从一个区域到另一个的微观结构。“合著者Jordan Raney解释说。 

 

       团队成员之一、哈佛大学的博士后研究员Raney现在是宾夕法尼亚大学的机械工程和应用力学助理教授,在那他主要研究“控制材料系统的内部结构特征的新方法。” 

 

       从纳米到宏观 

 

       旋转3D打印是独立于电或磁电流的一种通用方法，可用于任何材料挤压法(FFF/FDM，直接墨水书写，BAAM)，并存放任何填充材料，包括碳纤维和陶瓷片。 

 

       另一位合著者，Brett Compton，现在是诺克斯维尔市的田纳西大学机械工程学院的助理教授。他工作于橡树岭大面积添加剂制造工程(BAAM)方法的研究。 

 

        研究结果由合著者Brett Compton , Jordan Raney ,Jochen Mueller和Jennifer A.Lewis共同发布在《PNAS》杂志上。项目由美国海军研究局和来自德国的工具制造业投资家GETTYLAB提供资助，知识产权受到哈佛科技发展办公室的保护。