研究員開(kāi)發(fā)出用于3D打印碳纖維復合材料的可變形3D打印機噴嘴?

研究員開(kāi)發(fā)出用于3D打印碳纖維復合材料的可變形3D打印機噴嘴 
 據外媒報道，馬里蘭大學(xué)（UMD）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種可變形的3D打印機噴嘴，旨在解決3D打印碳纖維復合材料的特殊方法。噴嘴能夠以諸如碳纖維材料中的短纖維取向的方式變形，以改善最終部件的強度或導電性的特性。

 

在《Advanced Materials Technologies》上發(fā)表的一篇論文中，研究小組討論了致動(dòng)器如何改變噴嘴的形狀。UMD的A.James Clark工程學(xué)院（UMD's A.James Clark School of engineering）生物啟發(fā)高級制造（BAM）實(shí)驗室主任、機械工程助理教授Ryan Sochol說(shuō)：“當使用變形噴嘴進(jìn)行3D打印時(shí)，動(dòng)力在于其側面的執行器，執行器可以像氣球一樣膨脹，以改變噴嘴的形狀，反過(guò)來(lái)，纖維的取向也會(huì )改變。”

 

據了解，噴嘴由可充氣的柔性氣囊組成，然后將3D打印機噴嘴的形狀從直通道更改為會(huì )聚-發(fā)散的幾何形狀，然后更改打印介質(zhì)內纖維的方向。

 

值得一提的是，該團隊正在將其新技術(shù)應用于可以從各向異性特征轉換為各向同性特征的4D打印材料。該研究的合著(zhù)者UMD機械工程教授David Bigio解釋說(shuō)：“在我們的研究工作中，我們研究了浸入水中的打印零件如何膨脹，尤其是我們是否可以使用變形噴嘴改變膨脹特性。”

 

將零件浸入水中后，可能會(huì )導致一個(gè)方向（各向異性）或所有方向（各向同性）膨脹，這些特性可以在零件打印過(guò)程中進(jìn)行設計。得益于可變形的噴嘴，無(wú)需使用多種材料。該研究的主要作者Connor Armstrong說(shuō)：“令人興奮的發(fā)現是，僅通過(guò)在3D打印過(guò)程中改變噴嘴的形狀，我們就可以使一種打印材料在各向異性和各向同性溶脹之間過(guò)渡。”

 

“重要的是，噴嘴的變形和甚至在溶脹特性方面得分均等的能力不僅限于4D打印，”剛畢業(yè)的機械工程專(zhuān)業(yè)本科生、研究合著(zhù)者Noah Todd表示，“可以采用我們的方法3D打印其他復合材料，以自定義其彈性、熱、磁或電特性”

 

該團隊使用碳微纖維水凝膠測試了噴嘴，將噴嘴的驅動(dòng)壓力從0改變?yōu)?00 kPa，從而減少了排列的纖維數量。這導致水誘導的各向異性從各向異性轉變?yōu)楦飨蛲浴?br />
 

當噴嘴用于擠出3D打印時(shí)，Stratasys  PolyJet用于打印噴嘴本身，其柔性材料用于充氣側致動(dòng)器和變形的中央通道，然后剛性材料用于外殼和檢修口。該研究的合著(zhù)者、機械工程博士學(xué)位候選人Abdullah Alsharhan表示：“使用多材料PolyJet 3D打印技術(shù)使我們能夠設計出具有一定工作功率范圍或一組壓力幅度的噴嘴，這些噴嘴幾乎可以在任何研究實(shí)驗室中再現。”

 

該研究小組正在考慮使用該技術(shù)的應用程序來(lái)3D打印生物醫學(xué)對象，這些對象可響應來(lái)自身體的特定刺激而改變形狀，并為軍事生產(chǎn)武器。

 

“通過(guò)為研究人員提供一種可訪(fǎng)問(wèn)的方式來(lái)對3D打印纖維填充復合材料進(jìn)行纖維定向以及最終性能的按需控制，”Sochol說(shuō)，“這項工作利用這些獨特的材料特性和它們提供的獨特功能為3D打印的新應用打開(kāi)了大門(mén)。”