旋轉的3D打印機能夠精確的控制打印機噴嘴的速度和旋轉，從而對聚合物基體中嵌入的纖維進行編程。這是通過一個帶有旋轉打印噴頭的裝備和一個步進電機來控制旋轉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合在一起形成磚塊，人們制造的工程復合材料越來越復雜、性能越來越好。然而，復制在自然界中發(fā)現(xiàn)的非凡的力學性能和多面微觀結構是很困難的。

 

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

 

      他們的技術被稱為“旋轉3D打印”，可能有廣泛的應用。鑒于其噴嘴的模塊化設計，可以應用于不同的填料和基體組合來定制打印材料的光學、電學或熱學性質(zhì)。

 

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

 

      該項研究是在哈佛大學Lewis實驗室做成的，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機械工程系助理教授)和Jordan Raney(現(xiàn)為賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系助理教授)；并且還有瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院Kristina Shea教授的實驗室的訪問博士生Jochen Mueller。

 

      他們方法的關鍵是精確的編排3D打印機噴嘴的旋轉角度和速度，以便對聚合物基體中嵌入的纖維進行精確控制。這是通過將旋轉打印噴嘴系統(tǒng)和步進機裝配在一起，以指導旋轉噴嘴中的墨水以一定的角速度噴出。

 

      Brett Compton 說道：“旋轉3D打印可應用于打印零件的任何位置從而實現(xiàn)最佳或者接近最佳的纖維排列，從而增強材料的強度和剛度。我們不是用磁場或者電場來定向纖維，而是控制粘性油墨本身的流動，來產(chǎn)生所需的纖維取向。”

 

      Compton提到，該團隊的旋轉噴嘴概念可以應用于任何材料的3D打印技術，其不僅可以應用于直接的墨水書寫，還可以應用于融合長絲制造到大規(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現(xiàn)特定的性能目標。例如，可以局部增強纖維的取向，以提高在加載期間經(jīng)受最大應力位置處的損傷容限，從而硬化材料的潛在失效點。

 

      Jordan Raney 說道：“這項工作令人振奮的一點是，它提供了一個新的產(chǎn)生復雜的微觀結構的途徑，并且此微觀結構是可控的。從一個區(qū)域到另一個區(qū)域，對結構的更多控制意味著對結果性能的更多控制，則大大的拓展了可以利用的設計空間，進一步優(yōu)化了屬性。”

 

      沒有參加這項研究的麻省理工學院材料科學與工程教授Lorna J. Gibson說道：“生物復合材料通常具有顯著的機械性能：單位重量下的高強度、高剛度以及高韌性。受到生物復合材料的啟發(fā)，工程材料設計的突出挑戰(zhàn)之一是在小尺度和局部水平上控制纖維的取向。Lewis實驗室的這篇非凡的文章證明了這一點，這是生物復合材料設計的一個巨大的飛躍。” 

 

      此前，Lewis實驗室在組織結構的3D打印方面進行了開創(chuàng)性的研究工作，包括血管組織、鋰離子微電池和第一個全自動、完全柔軟的機器人。

 

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

 

      該項目得到了海軍研究所和GETTYLAB的支持。另外，哈佛技術開發(fā)辦公室保護與這項研究有關的知識產(chǎn)權。