Группа исследователей продемонстрировала новый метод 3D-печати, который обеспечивает беспрецедентный контроль за расположением коротких волокон, встроенных в полимерные матрицы.
Группа исследователей из Гарварда Джона (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) продемонстрировала новый метод 3D-печати, который обеспечивает беспрецедентный контроль за расположением коротких волокон, встроенных в полимерные матрицы. Они использовали эту аддитивную технологию изготовления для программирования ориентации волокон в эпоксидных композитах в определенных местах, что позволяет создавать конструкционные материалы, оптимизированные по прочности, жесткости и устойчивости к повреждениям.
Их метод, называемый «ротационной 3D-печатью», может найти широкое применение. Учитывая модульность конструкции чернил, можно использовать множество различных комбинаций наполнителей и матриц, чтобы адаптировать электрические, оптические или термические свойства печатных объектов.
«Возможность локально контролировать ориентацию волокон в конструкционных композитах была большой проблемой», - сказала Дженнифер Льюис, профессор биоиндустриальной инженерии в Гарвардской SEAS. - «Теперь мы можем структурировать материалы в иерархическом порядке, сродни тому, как строится природа».
Ключом к подходу команды является точное управление скоростью и вращением сопла 3D-принтера для программирования расположения внедренных волокон в полимерных матрицах. Это достигается за счет оснащения вращающейся печатающей головки шаговым двигателем для направления угловой скорости вращающегося сопла при прессовании чернил.
«Ротационная 3D-печать может использоваться для достижения оптимального или почти оптимального расположения волокон в каждом месте в печатной области, что приводит к большей прочности и жесткости с меньшим количеством материала», - сказал Бретт Комптон, еще один член исследовательской группы. - «Вместо того, чтобы использовать магнитные или электрические поля для ориентации волокон, мы контролируем поток самой вязкой краски, чтобы придать желаемую ориентацию волокна».
Комптон отметил, что концепция разработанного сопла может быть использована при любом способе экструзионной печати материала, от изготовления плавленых нитей, прямой печати чернил, до производства крупногабаритных термопластичных присадок и с любым наполнителем из углеродных и стеклянных волокон или металлических и керамических пластинок.
Эта технология позволяет выполнять 3D-печать инженерных материалов, которые могут быть запрограммированы в пространстве для достижения конкретных целей в области производительности. Например, ориентация волокон может быть локально оптимизирована для увеличения устойчивости к повреждениям в местах, которые, как ожидается, будут испытывать наибольшее напряжение во время работы устройства.
«Одна из интересных вещей в этой работе заключается в том, что она предлагает новый путь для производства сложных микроструктур и для того, чтобы ей управлять», - добавил исследователь Иордан Рэни. - «Больше контроля над структурой означает больший контроль над результирующими свойствами, что значительно расширяет возможности проектирования, которое может быть использовано для дальнейшей оптимизации свойств».
Источник: https://www.seas.harvard.edu/news/2018/01/novel-3d-printing-technique-yields-high-performance-composites