哈佛大学“旋转3D打印”技术制造可编程工程复合材料

 

       天然复合材料如木材和骨头，其可以说是轻质和密度与所需的机械性能进行了完美的结合，这通常是由于系统内纤维的复杂和多样化排列造成的。尽管人类已经能够制造出越来越复杂的复合材料，但是，想要再现自然界中发现的特殊机械性能和复杂微结构，则仍颇具挑战。

 

       来自哈佛JohnA.Paulson工程与应用科学学院（SEAS，Cambridge，MA，US）的研究人员，提出了一种受自然复合材料启发的全新3D打印方法。这项新技术是为了能够在打印部件的每个位置都实现最佳的短纤维排列。

 

       该研究的资深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物启发工程学院Hansjorg Wyss教授说：“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一个巨大的挑战。现在我们可以用分层的方式对材料进行图案化，就像自然构建的方式一样。”

 

       该团队的论文发表于2月份的《美国国家科学院院刊》上，并称这种方法为“旋转3D打印”技术。该方法通过使用能够控制喷射速度和旋转角度的喷嘴，来对聚合物基体中的嵌入式纤维的排列进行编程，创建出对强度、刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

 

       虽然刘易斯的团队致力于制造碳纤维环氧树脂复合材料，但该方法可能具有深远的应用前景。旋转喷嘴理论上可以用于任何材料的挤出打印方式，从熔融丝制造、直接墨水书写，到大规模热塑性添加剂制造以及任何填充材料。

 

        生物复合材料通常具有显著的机械性能：单位重量的高刚度、高强度以及高韧性。设计由生物复合材料启发的工程材料的突出挑战之一，即在小范围和局部水平上控制纤维排列。哈佛大学团队的这一成果则证明了这一方式的可行性，是生物复合材料设计的一大飞跃。