日前，來(lái)自英國(guó)Bristol大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種全新的方法以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的3D打印。據(jù)了解，這種獨(dú)特的方法使用超聲波來(lái)定位數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微小增強(qiáng)纖維，使其在微觀尺度上形成一種增強(qiáng)框架，從而顯著提升材料強(qiáng)度。這種微觀結(jié)構(gòu)的生成會(huì)與一個(gè)聚焦的激光束協(xié)調(diào)同步，而后者的作用是固化環(huán)氧樹(shù)脂。

“實(shí)際上，這個(gè)突破主要是基于將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微小纖維與液態(tài)光敏樹(shù)脂混合起來(lái)打印的一個(gè)簡(jiǎn)單想法。”開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)的博士生Tom Llewellyn-Jones解釋說(shuō)：“這使得一種隨時(shí)可打印的材料，比如可以通過(guò)一個(gè)小小的噴嘴進(jìn)入需要的位置。而最終的對(duì)象則可以逐層打印生成，與其他3D打印技術(shù)一樣。”

研究人們們面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何找到一種方式操縱細(xì)微的纖維形成正確的結(jié)構(gòu)，這樣才能使它們提供復(fù)合材料通常所具有的出色強(qiáng)度。最后，他們發(fā)現(xiàn)超聲波可用于將纖維在聚合物內(nèi)排列成適當(dāng)模式。研究人員只需在打印過(guò)程中切換超聲駐波模式即可控制每個(gè)纖維的精確排列方向。

“超聲能夠有效地在液態(tài)塑料中創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化的力場(chǎng)，而這些纖維會(huì)移動(dòng)并與該力場(chǎng)的低壓區(qū)域?qū)R，后者被稱為節(jié)點(diǎn)。”Llewellyn-Jones解釋說(shuō)。“然后使用一束聚焦的激光束對(duì)聚合物進(jìn)行固化，這些纖維就被固定住了。”

使用一種可切換的聚焦激光模塊直接安裝到市場(chǎng)上現(xiàn)成的3D打印機(jī)上，研究團(tuán)隊(duì)能夠使改裝后的機(jī)器打印速度達(dá)到20毫米/秒，這相當(dāng)于常規(guī)3D打印機(jī)的打印速度。此外，這一技術(shù)還可以有很大的靈活性，可以用于創(chuàng)建傳統(tǒng)方式不可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。而且?guī)缀跞魏晤愋?、尺寸或形狀的纖維都能夠在這一新型系統(tǒng)內(nèi)使用，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在智能材料領(lǐng)域獲得了更多新的可能性。

“我們的研究首次實(shí)現(xiàn)了在3D打印過(guò)程中事實(shí)控制其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的分布，它展示了制造帶有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的快速原型的潛力。”該校機(jī)械工程系超聲學(xué)教授Bruce Drinkwater說(shuō)。“這種定向控制使我們能夠制造出具有指定材料特性的3D打印部件，而且不會(huì)損失打印質(zhì)量。”

“在提升對(duì)象強(qiáng)度的同時(shí)，我們的方法在智能材料領(lǐng)域也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，比如打印充滿樹(shù)脂的膠囊以用于自愈材料等。”該校航空航天工程系博士Richard Trask補(bǔ)充道。

關(guān)于該項(xiàng)成果的研究論文——《使用超聲波控制微觀尺度結(jié)構(gòu)的3D打印部件（3D printed components with ultrasonically arranged microscale structure）》已經(jīng)于2016年1月19日刊登在了《Smart Materials and Structures》雜志上。