马里兰大学研发可变形3D打印喷嘴可实现4D打印零件

来源：江苏激光联盟

据悉，来自马里兰大学(UMD)帕克分校机械工程系的研究人员们开发了一种新的可以"变形"的3D打印喷嘴，他们的研究成果作为头版头条发表在1月5日出版的Advanced Materials Technologies杂志上。论文标题为"MorphingNozzle 3D Printing: A 3D Printed Morphing Nozzle to Control Fiber Orientation during Composite Additive Manufacturing"。

此图显示了按需更改喷嘴形状的方法，这提供了在3D打印期间控制纤维对齐的新方法

该团队的变形喷嘴为研究人员提供了3D打印"纤维填充复合材料"的新手段，这种材料由短纤维组成，可以提高传统3D打印部件的特殊性能，如增强部件强度/导电性。但是，这些性能都取决于短纤维的方向性，到目前为止，3D打印过程中还很难准确控制短纤维对齐。因此，UMD的助理教授兼实验室主任Ryan D. Sochol和他的同事们提出了一种变形喷嘴，用于增材制造纤维填充的复合材料。

同时作为该研究的主要负责人的Ryan Sochol表示，当使用变形喷嘴进行3D打印时，动力在于它们的侧面致动器，这些致动器可以像气球一样充气，通过改变喷嘴的形状，进而改变纤维的方向。

研究人员开发的这项按需更改喷嘴形状方法提供了在3D打印期间控制纤维对齐的新方法。他们动态调整纤维取向的结果以及反过来，印刷复合材料的溶胀性能也有望用于“ 4D打印”应用。

4D打印是相对较新的概念，自2013年首次定义化以来，4D打印就引起了广泛的关注。与3D打印创建的静态对象相比，4D打印在3D打印结构的基础上可以响应外部刺激（例如温度，光线，水等），并随着时间改变其形状、性质或功能，从而使3D打印更加生动（如下动图所示）。到目前为止，大多数4D打印都涉及3D打印技术和可变形材料或结构。形变的基本机制是在打印过程中或打印之后直接使用智能材料或在打印对象内产生局部特征应变（或失配应变）。应当指出，由特征应变创建可变形结构已经在智能材料研究界广泛使用了很长时间。但是，许多设计无法制造。从这个意义上讲，4D打印大大加快了智能材料和结构的研究。

动图显示了从临时弯曲形状中恢复的复杂3D打印结构的埃菲尔铁塔。

4D打印的最新进展依赖于能够同时进行 "各向异性"膨胀的材料，即在一个方向上比另一个方向上膨胀更多，以及"各向同性"膨胀，即在所有方向上膨胀相同。不幸的是，在这些条件之间切换通常需要研究人员用多种不同的材料进行打印。

在本研究中，研究人员研究了打印部件在浸入水中时如何膨胀，并验证了是否可以使用变形喷嘴改变这种膨胀行为。研究人员发现，只需在3D打印过程中改变喷嘴的形状，就可以使单一的打印材料在各向异性和各向同性膨胀之间转换。重要的是，研究人员Noah Todd表示，喷嘴的变形能力和在膨胀特性方面的均分能力并不限于4D打印。他们的方法可以应用于3D打印许多其他复合材料，例如定制它们的弹性、热、磁或电性能。

为了构建变形喷嘴本身，该团队采用了一种不同的3D打印技术，即PolyJet打印。PolyJet可以被认为是熔融沉积技术的近亲。与FDM一样，它通过使用挤出机头一次一层地打印零件来工作。然而，PolyJet不是使用细丝在印刷床上沉积材料，而是以更接近2D喷墨印刷的方式工作，挤出机在印刷床上沉积所选择的光聚合物材料的微小液滴，然后用紫外光固化。这种由UMD的Terrapin Works 3D打印中心提供的基于多材料喷墨的方法，使研究人员能够用柔性材料为充气侧执行器和形状变化的中央通道进行3D打印他们的喷嘴，而后又用刚性材料作为外壳和端口。

△同时打印硬性材料和柔性材料示例

该团队正在将探索他们的新方法来实现生物医学应用，在这种应用中，批量打印的物体可以在来自身体的特定刺激下重塑形状。此外，该团队还在与几个国防部实验室讨论使用变形喷嘴来提供国防和其他军事系统的武器生产。

本文来源：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