旋转3D打印让哈佛大学的研究人员可以控制超强部件的纤维定向
来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的研究人员开发出了一种3D打印方法，可以对聚合物基质中嵌入的短纤维进行前所未有的控制。 他们称之为“旋转3D打印”。
在寻找3D打印部件的最高强度和损伤容限的过程中，研究人员可以探索几种途径，每种途径都会影响打印物品的质量。寻找最好和最合适的3D打印过程是一个可以理解的重要部分，而选择一个强大的，可打印的材料也起着重要的作用。 3D打印物体的微观结构（例如，是否由微小的格子组成）是另一个可以极大地影响打印部件性能的区域。
对于哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的一组研究人员来说，有一个新的变量需要考虑，一个可以证明使用环氧树脂复合材料制造的平均高强度3D打印部件的差异。这个新的因素是纤维取向，一个可以使用研究人员新开发的“旋转3D打印”技术精确控制的变量。
在由杰出的3D打印技术Jennifer A. Lewis，哈佛SEAS生物启发工程Hansjorg Wyss教授和3D打印机公司Voxel8的大脑领导的一项研究中，SEAS的研究人员开发了一种新的增材制造工艺，提供前所未有的排列控制嵌入聚合物基质中的短纤维。其结果是3D打印结构材料的能力，对强度，刚度和损伤容限进行了优化。
令人兴奋的“旋转3D打印”过程的关键在于3D打印机喷嘴的速度和旋转的精确编排，这使得研究人员能够对嵌入式纤维在聚合物基体中的排列进行编程。该设置看似简单：旋转打印头系统配备有步进电机，该步进电机用于在3D打印墨被挤出到打印台上并随后到连续层上时调节旋转喷嘴的角速度。
Lewis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。”他认为，新的3D打印工艺使研究人员更接近于复制自然界中发现的那种均衡有效的结构：木头，骨头，牙齿等“。我们现在可以用分层的方式来图案化材料，就像自然构建的方式一样。”
这种以自然为灵感的3D打印工艺可用于在3D打印部件的每个区域实现“最佳或接近最佳”的光纤布置，这意味着使用更少的材料可获得更高的强度和刚度。此外，研究人员认为他们的过程比使用磁场或电场来定向纤维更有效，而是直接控制3D印刷油墨的流动。
也许从增材制造的角度来看最有趣的是，SEAS的研究人员说，旋转3D打印不是专门用于任何形式的材料沉积。这意味着现有的3D打印工艺，如FDM，直接墨水书写，甚至大规模的热塑性塑料添加剂制造，都可以通过旋转喷嘴进行增强，以创造出更强大，更耐损坏的部件。
新技术还可以让用户打印可以进行空间编程的工程材料，以达到“特定的性能目标”。局部优化纤维的取向可以例如增加零件区域中关键位置的损伤容限，在指定的最终用途应用中承受高度的压力。
Jordan Raney是这个项目的研究人员之一，现在是宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授，他认为这个定位是旋转3D打印最重要的方面之一。 Raney表示：“这项工作令人激动的事情之一就是它提供了一个生产复杂微观结构的新途径，并可以可控地改变不同地区的微观结构，”Raney说，“对结构的更多控制意味着对所得结果的更多控制。
记录研究结果的研究论文已发表在PNAS杂志上。其他贡献者还包括诺克斯维尔田纳西大学（University of Tennessee）机械工程助理教授Brett Compton以及来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的博士生Jochen Mueller。
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