在人們的設(shè)想中，3D打印的到來應(yīng)該意味著我們能夠在家制造出任何想要的東西。但現(xiàn)實(shí)是骨感的，絕大部分3D打印機(jī)只能采用特定塑料作為原材料，只有某些工業(yè)系統(tǒng)還能用金屬材料打印。
目前還無法做到高技術(shù)復(fù)合材料的3D打印。比如碳纖維復(fù)合材料，它們通常用來制造重量很輕但強(qiáng)度超高的物體，像網(wǎng)球拍和空氣動(dòng)力學(xué)自行車，甚至還有飛機(jī)部件。不過我們布里斯托爾大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員們已經(jīng)開發(fā)出了一種改造現(xiàn)有3D打印機(jī)的方法，使它們能夠打印復(fù)合材料。
復(fù)合材料如果有合理的設(shè)計(jì)，就可以展現(xiàn)出任何普通材料重量下的最高強(qiáng)度。這使得它們成為需要高強(qiáng)度輕量材料應(yīng)用的完美之選，最典型的就是飛機(jī)了。通常人們用很長的玻璃或碳纖維在塑料基質(zhì)中制造復(fù)合材料。由于內(nèi)部有整齊排列的纖維結(jié)構(gòu)，這種材料在保持很輕的重量的同時(shí)能夠表現(xiàn)出超高的強(qiáng)度。
簡單的解決方法
目前，制造復(fù)合材料的方法是先把纖維組合成片層狀，看起來有點(diǎn)像僵硬的布料。接著要把這些片層切成小塊，然后用手工一層一層的組裝成最后的成品。所以復(fù)合材料才會(huì)很貴，而且也很難用3D打印機(jī)復(fù)制。
但是我和同事們找到了一種打印復(fù)合材料的方法，只需在一臺(tái)普通的便宜打印機(jī)加上一個(gè)比較簡單的配件。我們的突破點(diǎn)就是用了一種混入了幾百萬根纖維的液態(tài)聚合物材料。這樣會(huì)做出來一種容易打印的材料，比方說，它能夠從微小的噴嘴被噴到預(yù)先設(shè)定好的位置上。然后就能夠一層一層地進(jìn)行打印了，再加上其它3D打印流程，就能制造出最終成品。
誰想玩激光網(wǎng)球嗎？
最具挑戰(zhàn)性的工作就是如何對微小的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行再組裝，使它們呈現(xiàn)出超高強(qiáng)度所需的排列模式。我們研發(fā)出的創(chuàng)新手段是采用超聲波在聚合物還處于液態(tài)時(shí)把纖維結(jié)構(gòu)排列成設(shè)定好的模式。
超聲波能夠有效的在液體塑料中生成一個(gè)模式化的力場，這樣纖維就會(huì)移動(dòng)到力場中低壓區(qū)——節(jié)點(diǎn)，并且形成整齊的排列。然后纖維就被密聚焦激光束固定住，同時(shí)激光也會(huì)把聚合物硫化。
智能材料
這些模式化的纖維結(jié)構(gòu)可以看作是一種加固網(wǎng)絡(luò)，就像通常用于加固地基和橋梁中混凝土結(jié)構(gòu)的鋼制增強(qiáng)條一樣。我們的研究采用了液態(tài)環(huán)氧基樹脂中的短玻璃纖維，它們形成更長的纖維結(jié)構(gòu)后就可以重建出傳統(tǒng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。
但是這個(gè)過程的靈活度非常高，而且能夠產(chǎn)生傳統(tǒng)方法不可能得到的新模式。在打印進(jìn)程中調(diào)整超聲波的聲波模式，我們可以實(shí)現(xiàn)對纖維的控制，產(chǎn)生出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這與簡單的二維堆疊完全不同。
超聲對準(zhǔn)有非常實(shí)用的一點(diǎn)在于，它可以適用于任何類型，任何形狀和大小的纖維。這可以給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師們帶來很多全新的可能，并且還能實(shí)現(xiàn)智能材料的打印，智能材料可以自我修復(fù)或者從環(huán)境中獲取電力。研究者們正設(shè)法把填滿未硫化聚合物的中空微型管網(wǎng)絡(luò)植入復(fù)合材料中。如果材料被破壞，這些微管就會(huì)破開并流出聚合物來，它們就會(huì)凝固并將產(chǎn)品“治愈”。我們的超聲打印系統(tǒng)把這樣的微管集成在液態(tài)塑料中。
超聲技術(shù)還處于早期研發(fā)階段，別指望下周就能買到這樣的打印設(shè)備。不過3D打印是一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域，因此諸如此類的創(chuàng)新方案也許過不了幾年就能走入市場了。
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