馬里蘭大學研發(fā)可變形3D打印噴嘴可實現(xiàn)4D打印零件

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自馬里蘭大學(UMD)帕克分校機械工程系的研究人員們開發(fā)了一種新的可以"變形"的3D打印噴嘴，他們的研究成果作為頭版頭條發(fā)表在1月5日出版的Advanced Materials Technologies雜志上。論文標題為"MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing"。

此圖顯示了按需更改噴嘴形狀的方法，這提供了在3D打印期間控制纖維對齊的新方法

該團隊的變形噴嘴為研究人員提供了3D打印"纖維填充復合材料"的新手段，這種材料由短纖維組成，可以提高傳統(tǒng)3D打印部件的特殊性能，如增強部件強度/導電性。但是，這些性能都取決于短纖維的方向性，到目前為止，3D打印過程中還很難準確控制短纖維對齊。因此，UMD的助理教授兼實驗室主任Ryan D. Sochol和他的同事們提出了一種變形噴嘴，用于增材制造纖維填充的復合材料。

同時作為該研究的主要負責人的Ryan Sochol表示，當使用變形噴嘴進行3D打印時，動力在于它們的側(cè)面致動器，這些致動器可以像氣球一樣充氣，通過改變噴嘴的形狀，進而改變纖維的方向。

研究人員開發(fā)的這項按需更改噴嘴形狀方法提供了在3D打印期間控制纖維對齊的新方法。他們動態(tài)調(diào)整纖維取向的結(jié)果以及反過來，印刷復合材料的溶脹性能也有望用于“ 4D打印”應用。

4D打印是相對較新的概念，自2013年首次定義化以來，4D打印就引起了廣泛的關(guān)注。與3D打印創(chuàng)建的靜態(tài)對象相比，4D打印在3D打印結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以響應外部刺激（例如溫度，光線，水等），并隨著時間改變其形狀、性質(zhì)或功能，從而使3D打印更加生動（如下動圖所示）。到目前為止，大多數(shù)4D打印都涉及3D打印技術(shù)和可變形材料或結(jié)構(gòu)。形變的基本機制是在打印過程中或打印之后直接使用智能材料或在打印對象內(nèi)產(chǎn)生局部特征應變（或失配應變）。應當指出，由特征應變創(chuàng)建可變形結(jié)構(gòu)已經(jīng)在智能材料研究界廣泛使用了很長時間。但是，許多設(shè)計無法制造。從這個意義上講，4D打印大大加快了智能材料和結(jié)構(gòu)的研究。

動圖顯示了從臨時彎曲形狀中恢復的復雜3D打印結(jié)構(gòu)的埃菲爾鐵塔。

4D打印的最新進展依賴于能夠同時進行 "各向異性"膨脹的材料，即在一個方向上比另一個方向上膨脹更多，以及"各向同性"膨脹，即在所有方向上膨脹相同。不幸的是，在這些條件之間切換通常需要研究人員用多種不同的材料進行打印。

在本研究中，研究人員研究了打印部件在浸入水中時如何膨脹，并驗證了是否可以使用變形噴嘴改變這種膨脹行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，只需在3D打印過程中改變噴嘴的形狀，就可以使單一的打印材料在各向異性和各向同性膨脹之間轉(zhuǎn)換。重要的是，研究人員Noah Todd表示，噴嘴的變形能力和在膨脹特性方面的均分能力并不限于4D打印。他們的方法可以應用于3D打印許多其他復合材料，例如定制它們的彈性、熱、磁或電性能。

為了構(gòu)建變形噴嘴本身，該團隊采用了一種不同的3D打印技術(shù)，即PolyJet打印。PolyJet可以被認為是熔融沉積技術(shù)的近親。與FDM一樣，它通過使用擠出機頭一次一層地打印零件來工作。然而，PolyJet不是使用細絲在印刷床上沉積材料，而是以更接近2D噴墨印刷的方式工作，擠出機在印刷床上沉積所選擇的光聚合物材料的微小液滴，然后用紫外光固化。這種由UMD的Terrapin Works 3D打印中心提供的基于多材料噴墨的方法，使研究人員能夠用柔性材料為充氣側(cè)執(zhí)行器和形狀變化的中央通道進行3D打印他們的噴嘴，而后又用剛性材料作為外殼和端口。

△同時打印硬性材料和柔性材料示例

該團隊正在將探索他們的新方法來實現(xiàn)生物醫(yī)學應用，在這種應用中，批量打印的物體可以在來自身體的特定刺激下重塑形狀。此外，該團隊還在與幾個國防部實驗室討論使用變形噴嘴來提供國防和其他軍事系統(tǒng)的武器生產(chǎn)。

本文來源：Connor D. Armstrong et al, MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing (Adv. Mater. Technol. 1/2021), Advanced Materials Technologies (2021). DOI: 10.1002/admt.202170004