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超声波与3D打印结合为智能材料开辟出新的可能

时间: 2016年09月20日 标签: 房子

在人们的设想中,3D打印的到来应该意味着我们能够在家制造出任何想要的东西。但现实是骨感的,绝大部分3D打印机只能采用特定塑料作为原材料,只有某些工业系统还能用金属材料打印。

目前还无法做到高技术复合材料的3D打印。比如碳纤维复合材料,它们通常用来制造重量很轻但强度超高的物体,像网球拍和空气动力学自行车,甚至还有飞机部件。不过我们布里斯托尔大学实验室的研究人员们已经开发出了一种改造现有3D打印机的方法,使它们能够打印复合材料。

复合材料如果有合理的设计,就可以展现出任何普通材料重量下的最高强度。这使得它们成为需要高强度轻量材料应用的完美之选,最典型的就是飞机了。通常人们用很长的玻璃或碳纤维在塑料基质中制造复合材料。由于内部有整齐排列的纤维结构,这种材料在保持很轻的重量的同时能够表现出超高的强度。

简单的解决方法

目前,制造复合材料的方法是先把纤维组合成片层状,看起来有点像僵硬的布料。接着要把这些片层切成小块,然后用手工一层一层的组装成最后的成品。所以复合材料才会很贵,而且也很难3D打印机复制。

但是我和同事们找到了一种打印复合材料的方法,只需在一台普通的便宜打印机加上一个比较简单的配件。我们的突破点就是用了一种混入了几百万根纤维的液态聚合物材料。这样会做出来一种容易打印的材料,比方说,它能够从微小的喷嘴被喷到预先设定好的位置上。然后就能够一层一层地进行打印了,再加上其它3D打印流程,就能制造出最终成品。

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谁想玩激光网球吗? 图片来源: Tom Llewellyn-Jones, Bruce Drinkwater and Richard Trask, 作者提供

 

最具挑战性的工作就是如何对微小的纤维结构进行再组装,使它们呈现出超高强度所需的排列模式。我们研发出的创新手段是采用超声波在聚合物还处于液态时把纤维结构排列成设定好的模式。

超声波能够有效的在液体塑料中生成一个模式化的力场,这样纤维就会移动到力场中低压区——节点,并且形成整齐的排列。然后纤维就被密聚焦激光束固定住,同时激光也会把聚合物硫化。

智能材料

这些模式化的纤维结构可以看作是一种加固网络,就像通常用于加固地基和桥梁中混凝土结构的钢制增强条一样。我们的研究采用了液态环氧基树脂中的短玻璃纤维,它们形成更长的纤维结构后就可以重建出传统复合材料的结构。

但是这个过程的灵活度非常高,而且能够产生传统方法不可能得到的新模式。在打印进程中调整超声波的声波模式,我们可以实现对纤维的控制,产生出复杂的三维结构,这与简单的二维堆叠完全不同。

超声对准有非常实用的一点在于,它可以适用于任何类型,任何形状和大小的纤维。这可以给产品设计师们带来很多全新的可能,并且还能实现智能材料的打印,智能材料可以自我修复或者从环境中获取电力。研究者们正设法把填满未硫化聚合物的中空微型管网络植入复合材料中。如果材料被破坏,这些微管就会破开并流出聚合物来,它们就会凝固并将产品“治愈”。我们的超声打印系统把这样的微管集成在液态塑料中。

超声技术还处于早期研发阶段,别指望下周就能买到这样的打印设备。不过3D打印是一个飞速发展的领域,因此诸如此类的创新方案也许过不了几年就能走入市场了。

作者:Bruce Drinkwater 布里斯托尔大学超声学教授

(翻译:乔虹  审校:傅斓)

原文链接:https://theconversation.com/ultrasound-could-transform-3d-printing-for-a-future-of-smart-materials-53328

 


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Bruce Drinkwater

Bruce Drinkwater 布里斯托尔大学超声学教授