日前，來自英國Bristol大學(xué)的一支研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種全新的方法以實現(xiàn)復(fù)合材料的3D打印。據(jù)了解，這種獨特的方法使用超聲波來定位數(shù)以百萬計的微小增強(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)的生成會與一個聚焦的激光束協(xié)調(diào)同步，而后者的作用是固化環(huán)氧樹脂。

“實際上，這個突破主要是基于將數(shù)以百萬計的微小纖維與液態(tài)光敏樹脂混合起來打印的一個簡單想法。”開發(fā)了該系統(tǒng)的博士生Tom Llewellyn-Jones解釋說：“這使得一種隨時可打印的材料，比如可以通過一個小小的噴嘴進(jìn)入需要的位置。而最終的對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程中切換超聲駐波模式即可控制每個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)建一個結(jié)構(gòu)化的力場，而這些纖維會移動并與該力場的低壓區(qū)域?qū)R，后者被稱為節(jié)點。”Llewellyn-Jones解釋說。“然后使用一束聚焦的激光束對聚合物進(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上現(xiàn)成的3D打印機(jī)上，研究團(tuán)隊能夠使改裝后的機(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。

“我們的研究首次實現(xiàn)了在3D打印過程中事實控制其內(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。“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，而且不會損失打印質(zhì)量。”

“在提升對象強(qiáng)度的同時，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補充道。

關(guān)于該項成果的研究論文——《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。