可以變形的3D列印噴嘴

2021-01-08 科技報告與資訊

馬裡蘭大學(UMD)的工程師們開發了一種新的可以"變形"的3D列印噴嘴，並在1月5日出版的《Advanced Materials Technologies》雜誌上作為頭版頭條發表。

該團隊的變形噴嘴為研究人員提供了3D列印"纖維填充複合材料"的新手段，這種材料由短纖維組成，可以提高傳統3D列印部件的特殊性能，如增強部件強度或導電性。現在面臨的難題是，這些性能都是基於短纖維的方向性，直到現在，在3D列印過程中還很難準確控制。

"當使用變形噴嘴進行3D列印時，動力在於它們的側面致動器，這些致動器可以像氣球一樣充氣，以改變噴嘴的形狀，進而改變纖維的方向，"UMD的助理教授兼實驗室主任Ryan Sochol說。

為了驗證他們的新方法，研究人員將目光投向了新興的"4D列印"應用。4D列印是相對較新的概念，即3-D列印對象可以根據其環境進行重塑或轉換，在本研究中，研究人員研究了列印部件在浸入水中時如何膨脹，並驗證了是否可以使用變形噴嘴改變這種膨脹行為。

4D列印的最新進展依賴於能夠同時進行 "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列印。

馬裡蘭大學的研究人員發現，只需在3D列印過程中改變噴嘴的形狀，就可以使單一的列印材料在各向異性和各向同性膨脹之間轉換。"重要的是，噴嘴的變形能力和在膨脹特性方面的均分能力並不限於4D列印，"研究者Noah Todd說。"我們的方法可以應用於3D列印許多其他複合材料，例如定製它們的彈性、熱、磁或電性能。"

為了構建變形噴嘴本身，該團隊採用了一種不同的3D列印技術，即PolyJet列印。這種由UMD的Terrapin Works 3-D列印中心提供的基於多材料噴墨的方法，使研究人員能夠用柔性材料為充氣側執行器和形狀變化的中央通道進行3D列印他們的噴嘴，而後又用剛性材料作為外殼和埠。

在這種新方法的一個應用中，該團隊正在探索使用他們的策略來實現生物醫學應用，在這種應用中，批量列印的物體可以在來自身體的特定刺激下重塑形狀。該團隊還在與幾個國防部實驗室討論使用變形噴嘴來支持國防和其他軍事系統的武器生產。

論文標題為《MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing》。

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