研究员开发出用于3D打印碳纤维复合材料的可变形3D打印机喷嘴

aau讯（编辑 吴昕烜）据外媒报道，马里兰大学（UMD）的研究人员开发了一种可变形的3D打印机喷嘴，旨在解决3D打印碳纤维复合材料的特殊方法。喷嘴能够以诸如碳纤维材料中的短纤维取向的方式变形，以改善最终部件的强度或导电性的特性。

在《Advanced Materials Technologies》上发表的一篇论文中，研究小组讨论了致动器如何改变喷嘴的形状。UMD的A.James Clark工程学院（UMD's A.James Clark School of engineering）生物启发高级制造（BAM）实验室主任、机械工程助理教授Ryan Sochol说：“当使用变形喷嘴进行3D打印时，动力在于其侧面的执行器，执行器可以像气球一样膨胀，以改变喷嘴的形状，反过来，纤维的取向也会改变。”

据了解，喷嘴由可充气的柔性气囊组成，然后将3D打印机喷嘴的形状从直通道更改为会聚-发散的几何形状，然后更改打印介质内纤维的方向。

值得一提的是，该团队正在将其新技术应用于可以从各向异性特征转换为各向同性特征的4D打印材料。该研究的合著者UMD机械工程教授David Bigio解释说：“在我们的研究工作中，我们研究了浸入水中的打印零件如何膨胀，尤其是我们是否可以使用变形喷嘴改变膨胀特性。”

将零件浸入水中后，可能会导致一个方向（各向异性）或所有方向（各向同性）膨胀，这些特性可以在零件打印过程中进行设计。得益于可变形的喷嘴，无需使用多种材料。该研究的主要作者Connor Armstrong说：“令人兴奋的发现是，仅通过在3D打印过程中改变喷嘴的形状，我们就可以使一种打印材料在各向异性和各向同性溶胀之间过渡。”

“重要的是，喷嘴的变形和甚至在溶胀特性方面得分均等的能力不仅限于4D打印，”刚毕业的机械工程专业本科生、研究合著者Noah Todd表示，“可以采用我们的方法3D打印其他复合材料，以自定义其弹性、热、磁或电特性”

该团队使用碳微纤维水凝胶测试了喷嘴，将喷嘴的驱动压力从0改变为100 kPa，从而减少了排列的纤维数量。这导致水诱导的各向异性从各向异性转变为各向同性。

当喷嘴用于挤出3D打印时，Stratasys  PolyJet用于打印喷嘴本身，其柔性材料用于充气侧致动器和变形的中央通道，然后刚性材料用于外壳和检修口。该研究的合著者、机械工程博士学位候选人Abdullah Alsharhan表示：“使用多材料PolyJet 3D打印技术使我们能够设计出具有一定工作功率范围或一组压力幅度的喷嘴，这些喷嘴几乎可以在任何研究实验室中再现。”

该研究小组正在考虑使用该技术的应用程序来3D打印生物医学对象，这些对象可响应来自身体的特定刺激而改变形状，并为军事生产武器。

“通过为研究人员提供一种可访问的方式来对3D打印纤维填充复合材料进行纤维定向以及最终性能的按需控制，”Sochol说，“这项工作利用这些独特的材料特性和它们提供的独特功能为3D打印的新应用打开了大门。”

UMD团队开发的产品是对不断增长的纤维复合材料3D打印技术的补充。也许与UMD所做的最相似的研究是Fortify，这是一家使用数字光处理3D打印复合材料的初创公司。Fortify的工艺之所以与众不同，是因为能够使用磁铁使树脂中的短纤维定向。否则，其他3D打印纤维复合材料的其他公司（Markforged、Desktop Metal、Anisoprint、Continuous Composites、Arevo、9T Labs等）都将重点放在增强纤维的3D打印连续丝上。而且，这些公司都没有关注我们所知道的4D打印。

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