Naukowcy opracowują nową metodę rotacyjnego druku 3D

Nowa metoda drukowania 3D oferuje niespotykaną dotąd kontrolę nad rozmieszczeniem krótkich włókien osadzonych w matrycach polimerowych. Naukowcy wykorzystali tę metodę do zaprogramowania orientacji włókien w kompozytach epoksydowych w określonych miejscach w celu stworzenia materiałów konstrukcyjnych. Ta metoda została nazwana rotacyjnym drukiem 3D i może nadawać się do wielu różnych zastosowań. Ze względu na modułowy charakter konstrukcji tuszu, można zastosować kilka różnych kombinacji wypełniacza i matrycy, aby dostosować właściwości elektrycznych, optycznych lub termicznych obiektów drukowanych 3D.

"Możliwość lokalnego sterowania orientacją włókien w ramach opracowanych metod Kompozyty były wielkim wyzwaniem ", powiedziała autorka badań, Jennifer A. Lewis, Hansjorg Wyss profesor inżynierii inspirowanej biologicznie na Harvard SEAS i członek wydziału rdzenia w Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvardzie. < p> "Możemy teraz modelować materiały w sposób hierarchiczny, zbliżony do sposobu, w jaki buduje się natura."

Jak to działa, naukowcy bardzo precyzyjnie układają prędkość i obroty dyszy drukarki 3D, aby programować układ osadzonych włókien w matrycach polimerowych. Robią to poprzez wyposażenie obrotowego systemu głowicy w silnik krokowy, który kieruje prędkością kątową obracającej się dyszy podczas wytłaczania atramentu.

"Obrotowy druk 3D może być użyty do uzyskania optymalnego lub prawie optymalnego układy włókien w każdym miejscu w zadrukowanej części, co skutkuje wyższą wytrzymałością i sztywnością przy mniejszej ilości materiału ", powiedział wtedy doktor habilitowany Brett Compton, obecnie adiunkt w dziedzinie inżynierii mechanicznej na University of Tennessee w Knoxville. "Zamiast używać pól magnetycznych lub elektrycznych do orientowania włókien, kontrolujemy przepływ samego lepkiego tuszu, aby nadać pożądaną orientację włókien."

Według Compton, koncepcja może być zastosowana do dowolnego drukowania z wytłaczaniem materiału metoda, w tym FDM / FFF, bezpośrednie pisanie atramentem i wytwarzanie na dużą skalę termoplastycznych dodatków, z użyciem dowolnego materiału wypełniającego z włókna węglowego i szklanego do metalowych lub ceramicznych wąsów i płytek. Metoda ta pozwala na drukowanie 3D materiałów inżynierskich, które można zaprogramować przestrzennie w celu osiągnięcia określonych celów wydajności. Orientacja włókien, na przykład, może być lokalnie zoptymalizowana, aby zwiększyć tolerancję na uszkodzenia w miejscach, które prawdopodobnie ulegną największemu naprężeniu podczas ładowania, utracie potencjału hartowaniapoints.

"Jedną z ekscytujących rzeczy w tej pracy jest to, że oferuje nową drogę do tworzenia złożonych mikrostruktur i kontrolowania zróżnicowania mikrostruktury od regionu do regionu. Większa kontrola nad strukturą oznacza większą kontrolę nad uzyskiwanymi właściwościami, co znacznie rozszerza przestrzeń projektową, którą można wykorzystać w celu dalszej optymalizacji właściwości ", powiedział wówczas - doktor habilitowany Jordan Raney, obecnie adiunkt w dziedzinie inżynierii mechanicznej i mechaniki stosowanej na University of Pennsylvania .

"Biologiczne materiały kompozytowe często mają niezwykłe właściwości mechaniczne: wysoką sztywność i wytrzymałość na jednostkę ciężaru i wysoką wytrzymałość. Jednym z wyjątkowych wyzwań związanych z projektowaniem materiałów inżynieryjnych inspirowanych kompozytorami biologicznymi jest kontrola orientacji włókien w małych skalach i na poziomie lokalnym "- powiedziała Lorna J. Gibson, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii w MIT, która nie była zaangażowana w Badania. "Ta niezwykła praca grupy Lewisa pokazuje, jak to osiągnąć. Jest to ogromny krok naprzód w projektowaniu kompozytów inspirowanych biologią. "