哈佛工程师利用新的材料和3D打印技术制作轻质蜂窝复合材料

南极熊3D打印网报道
当前在3D打印中使用的塑料材料，主要是热塑性塑料和UV固化树脂这两类，而这两种类型的材料通常都不被认为是工程结构应用的解决方案。但如今，哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物启发的工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料，这种材料可用于构件3D打印轻质架构。
这些新的3D油墨是在环氧树脂中加入了纳米粘土片（nanoclay platelets）以增强粘度和一种二甲基甲基膦酸酯（dimethyl methylphosphonate）化合物。另外还向此混合物中添加了两种填料：金刚砂(silicon carbide)和碳纤维。纤维填充墨水的多功能性和强度的关键是控制填料的沉积方向。
现在，利用这些纤维增强的环氧热固性树脂和3D打印，材料科学家已经研制出蜂窝复合材料，模仿了轻质木材的结构和性能，且拥有前所未有的轻量和刚度。
“轻质木材具有蜂窝结构，能最大限度地减少它的重量，因为大部分结构都是空的，只有表面承载重量，因此它具有颇高的比刚度和强度。”在哈佛大学SEAS的Wyss生物启发的工程研究所的教授Jennifer A.Leewis说，“我们借这个设计概念并在一个工程复合材料中模仿它。”
轻质木材是用在风力涡轮机的叶片中的，因为它的重量轻，而且刚度相对密度非常适合。但轻质木材非常贵，而且它自然的变化会成为所需精确度越来越高的涡轮叶片的一个障碍。

但新的蜂窝复合材料“比轻质木材更硬，比商业3D打印聚合物要硬10到20倍，比最佳的打印聚合物复合材料还要硬2倍。”研究人员在文章《3D打印轻质蜂窝复合材料》中描述他们的研究结果，这篇文章在期刊《Advanced Materials》中发布，是和她的小组前成员Lewis和Brett G.Compton共同撰写的。

“这篇文章表明，这是第一次利用纤维增强的表面3D打印出蜂窝复合材料。”麻省理工学院材料科学和机械工程教授及世界领先的蜂窝复合材料专家Lorna Gibson说，“特别重要的是纤维可以对齐的方式——通过控制纤维的纵横比的长度相对直接和喷嘴直径。这标志着我们在模仿木材设计工程材料进程的中迈出了重要的一步。”

据南极熊3D打印网了解，这种材料部件可以用于风力涡轮机，而且可以用于汽车行业。汽车行业需要利用轻质材料帮助汽车达到政府规定的燃油经济性标准。
Lewis称，他们下一步将测试热固性树脂能否用于各种建筑。
“当我们获得了更高水平的填料对齐控制技术和学会了如何更好地整合组件的定位时，我们可以进一步优化组件的设计和提高材料的利用率。”美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的添加制造科学家Compton补充，“最后，我们将能够使用3D打印技术去改变纤维填料对齐的程度及工作的局部组成。”这不仅可能会促进结构材料的研究进展，也可能会促进导电复合材料的研究进展。

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