大自然“生產(chǎn)”的木頭、骨頭、牙齒和貝殼等精致復合材料，是輕質(zhì)和密度與所需的機械性能完美結(jié)合。然而，再現(xiàn)自然界中發(fā)現(xiàn)的特殊機械性能和復雜微結(jié)構(gòu)，則頗具挑戰(zhàn)。而哈佛大學團隊研發(fā)的“旋轉(zhuǎn)3D打印”技術(shù)，對聚合物基質(zhì)中嵌入的短纖維排列具有超強控制能力。研究人員使用這種增材制造技術(shù)在特定位置對環(huán)氧樹脂復合材料內(nèi)的纖維排列進行編程，創(chuàng)建出對強度、剛度和損傷容限進行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)材料。
 

        這一方法的關(guān)鍵在于精確編排3D打印機噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)，以便對聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進行編程。這一技術(shù)通過為旋轉(zhuǎn)打印頭系統(tǒng)配備步進電機來實現(xiàn)，其可引導旋轉(zhuǎn)噴嘴在墨水被擠出時的角速度。由于其墨水設(shè)計具模塊化特性，可實現(xiàn)使用多種不同填料和基體的組合來定制打印對象的電學、光學或熱性能，因而應(yīng)用范圍較廣。據(jù)項目負責人介紹，實現(xiàn)在工程復合材料中對纖維排列進行局部控制，是一個巨大挑戰(zhàn)。該團隊目前能夠用分層的方式來構(gòu)造材料，接近自然構(gòu)造方式。
 

        這一技術(shù)可使打印部件的每個位置實現(xiàn)最佳或接近最佳的纖維布置，從而以更少的材料獲得更高的強度和剛度。其通過控制墨水本身的流動來賦予所需的纖維排列，而非通過磁場或電場來定向纖維。
 

        “旋轉(zhuǎn)3D打印”的噴嘴概念適用于任何材料擠壓打印方式，從熔融絲制造、直接墨水書寫，到大規(guī)模熱塑性添加劑制造以及任何填充材料，從碳和玻璃纖維到金屬或陶瓷晶須和血小板。
 

        該技術(shù)可實現(xiàn)能進行空間編程的工程材料的3D打印，以達成特定的性能目標。譬如，可對纖維的排列進行局部優(yōu)化，以提升在加載、硬化潛在失效點過程中，預計會承受最高應(yīng)力位置的損傷容限。
 

        “旋轉(zhuǎn)3D打印”技術(shù)提供了一種新型制造復雜微觀結(jié)構(gòu)的途徑，并能可控地改變不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)的更多控制意味著對結(jié)果屬性的更多控制，這極大地擴展了可用于進一步優(yōu)化屬性的設(shè)計空間。
 

        生物復合材料通常具有顯著的機械性能：單位重量的高剛度、高強度以及高韌性。設(shè)計由生物復合材料啟發(fā)的工程材料的突出挑戰(zhàn)之一，即在小范圍和局部水平上控制纖維排列。哈佛大學團隊的這一成果則證明了這一方式的可行性，是生物復合材料設(shè)計的一大飛躍。