研究員開發出用于3D打印碳纖維復合材料的可變形3D打印機噴嘴 
 據外媒報道，馬里蘭大學（UMD）的研究人員開發了一種可變形的3D打印機噴嘴，旨在解決3D打印碳纖維復合材料的特殊方法。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度或導電性的特性。

 

在《Advanced Materials Technologies》上發表的一篇論文中，研究小組討論了致動器如何改變噴嘴的形狀。UMD的A.James Clark工程學院（UMD's A.James Clark School of engineering）生物啟發高級制造（BAM）實驗室主任、機械工程助理教授Ryan Sochol說：“當使用變形噴嘴進行3D打印時，動力在于其側面的執行器，執行器可以像氣球一樣膨脹，以改變噴嘴的形狀，反過來，纖維的取向也會改變。”

 

據了解，噴嘴由可充氣的柔性氣囊組成，然后將3D打印機噴嘴的形狀從直通道更改為會聚-發散的幾何形狀，然后更改打印介質內纖維的方向。

 

值得一提的是，該團隊正在將其新技術應用于可以從各向異性特征轉換為各向同性特征的4D打印材料。該研究的合著者UMD機械工程教授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，可能會導致一個方向（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行設計。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：“令人興奮的發現是，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，”剛畢業的機械工程專業本科生、研究合著者Noah Todd表示，“可以采用我們的方法3D打印其他復合材料，以自定義其彈性、熱、磁或電特性”

 

該團隊使用碳微纖維水凝膠測試了噴嘴，將噴嘴的驅動壓力從0改變為100 kPa，從而減少了排列的纖維數量。這導致水誘導的各向異性從各向異性轉變為各向同性。

 

當噴嘴用于擠出3D打印時，Stratasys  PolyJet用于打印噴嘴本身，其柔性材料用于充氣側致動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、機械工程博士學位候選人Abdullah Alsharhan表示：“使用多材料PolyJet 3D打印技術使我們能夠設計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驗室中再現。”

 

該研究小組正在考慮使用該技術的應用程序來3D打印生物醫學對象，這些對象可響應來自身體的特定刺激而改變形狀，并為軍事生產武器。

 

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