3D打印復(fù)合材料纖維取向的控制及功能設(shè)計

供稿人:晏夢雪、田小永

在復(fù)合材料的制備中，纖維的高度取向可以帶來一系列的好處，能夠大幅提高纖維取向方向上的力學(xué)強(qiáng)度以及賦予復(fù)合材料特定的功能。將纖維取向技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高3D打印技術(shù)的可設(shè)計性，同時，也為3D打印仿生結(jié)構(gòu)提供了可能。

2015年，蘇黎世理工大學(xué)的研究團(tuán)隊在光固化成型設(shè)備中增加了電磁場，如圖1，在光敏樹脂中添加磁性顆粒，通過磁場對磁性顆粒的取向進(jìn)行誘導(dǎo)，從而實現(xiàn)3D打印可控纖維取向的特殊結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分別制備了仿貝殼結(jié)構(gòu)、仿蝦鉗結(jié)構(gòu)以及哺乳動物的骨頭結(jié)構(gòu)[1]。但是該種方法的基體材料只能是單一成份的光敏樹脂，具有一定的局限性。

圖1 磁場輔助3D打印過程

圖2 磁場輔助3D打印技術(shù)-仿生結(jié)構(gòu)的制備

此后，該團(tuán)隊采用多噴頭直寫工藝，結(jié)合磁場誘導(dǎo)磁性顆粒取向，實現(xiàn)了多材料及任意纖維排布的一體制造[2]，制造過程如圖3所示，此外，該團(tuán)隊設(shè)計了一種具有不同剛度基體材料及纖維取向的緊固構(gòu)件，并實現(xiàn)了3D打印制造，如圖4所示。

圖3 多材料多角度纖維取向3D打印

圖4多材料及可控纖維取向的緊固構(gòu)件設(shè)計及制造

近期，他們又利用剪切力對纖維取向進(jìn)行誘導(dǎo)，采用微晶纖維素作為原材料，利用直寫工藝，在詳細(xì)探索了纖維取向形成的規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用3D打印制備了特定的纖維取向結(jié)構(gòu)[3]，如圖5所示。

圖5利用剪切力誘導(dǎo)纖維取向

參考文獻(xiàn)：
Martin J J, Fiore B E, Erb R M. Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing[J]. Nature communications, 2015, 6: 8641.
Kokkinis D, Schaffner M, Studart A R. Multimaterial magnetically assisted 3D printing of composite materials[J]. Nature communications, 2015, 6: 8643.
Hausmann M K, Rühs P A, Siqueira G, et al. Dynamics of Cellulose Nanocrystal Alignment during 3D Printing[J]. ACS nano, 2018, 12(7): 6926-6937.

供稿人:晏夢雪、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室