研究員開發(fā)出用于3D打印碳纖維復(fù)合材料的可變形3D打印機(jī)噴嘴 
 據(jù)外媒報(bào)道，馬里蘭大學(xué)（UMD）的研究人員開發(fā)了一種可變形的3D打印機(jī)噴嘴，旨在解決3D打印碳纖維復(fù)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(qiáng)度或?qū)щ娦缘奶匦浴?br />
 

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(jí)制造（BAM）實(shí)驗(yàn)室主任、機(jī)械工程助理教授Ryan Sochol說：“當(dāng)使用變形噴嘴進(jìn)行3D打印時(shí)，動(dòng)力在于其側(cè)面的執(zhí)行器，執(zhí)行器可以像氣球一樣膨脹，以改變噴嘴的形狀，反過來，纖維的取向也會(huì)改變。”

 

據(jù)了解，噴嘴由可充氣的柔性氣囊組成，然后將3D打印機(jī)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(nèi)纖維的方向。

 

值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)正在將其新技術(shù)應(yīng)用于可以從各向異性特征轉(zhuǎn)換為各向同性特征的4D打印材料。該研究的合著者UMD機(jī)械工程教授David Bigio解釋說：“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(dǎo)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程中進(jìn)行設(shè)計(jì)。得益于可變形的噴嘴，無需使用多種材料。該研究的主要作者Connor Armstrong說：“令人興奮的發(fā)現(xiàn)是，僅通過在3D打印過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(jī)械工程專業(yè)本科生、研究合著者Noah Todd表示，“可以采用我們的方法3D打印其他復(fù)合材料，以自定義其彈性、熱、磁或電特性”

 

該團(tuán)隊(duì)使用碳微纖維水凝膠測試了噴嘴，將噴嘴的驅(qū)動(dòng)壓力從0改變?yōu)?00 kPa，從而減少了排列的纖維數(shù)量。這導(dǎo)致水誘導(dǎo)的各向異性從各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲浴?br />
 

當(dāng)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(cè)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。該研究的合著者、機(jī)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(shè)計(jì)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(yàn)室中再現(xiàn)。”

 

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

 

“通過為研究人員提供一種可訪問的方式來對(duì)3D打印纖維填充復(fù)合材料進(jìn)行纖維定向以及最終性能的按需控制，”Sochol說，“這項(xiàng)工作利用這些獨(dú)特的材料特性和它們提供的獨(dú)特功能為3D打印的新應(yīng)用打開了大門。”