新的3D打印技术，聚合物和金属的场辅助增材制造

来源：长三角G60激光联盟

美国佛罗里达州塔拉哈西高性能材料研究所和FAMU-FSU工程学院的科研人员报道了一种新开发的3D打印技术，聚合物和金属的场辅助增材制造:材料和方法。相关研究以“Field assisted additive manufacturing for polymers and metals: materials and methods”为题发表在《Virtual and Physical Prototyping》上。

增材制造(AM)已经成为一种变革性技术，各行各业制造复杂的几何形状和多材料结构。尽管具有潜力，尽管其潜力巨大，但在聚合物和金属复合材料的有限材料选择、各向异性以及实现功能性微结构等方面仍存在挑战。场辅助增材制造(FAAM)利用声场、磁场和电场等外部场。通过控制聚合物复合材料中填料的取向和浓度，以及改善金属的表面光洁度和微观结构，有望解决这些限制。本文全面分析了聚合物和金属复合材料的最新FAAM工艺，重点介绍了材料兼容性，各个领域的力学原理，以及它们与增材制造技术的整合，以及FAAM工艺发展的当前应用、局限性和潜在的未来发展方向。增强对FAAM工艺的理解可以创造出量身定制的各向异性复合材料，从而在航空航天、汽车、生物医学等领域实现创新应用。

图 1.AM 技术概览

从汽车的电子设备到商用客机的部件，一切都是最先进的3D打印材料。它们的强度和性质取决于它们是由什么构成的以及它们是如何构成的。
在FAMU-FSU工程学院塔里克·狄更斯（Tarik Dickens）的实验室里，研究人员正在微调3D打印中使用的工具，帮助为各种应用创造更好、更坚固的材料。

图 2.用于聚合物的磁场辅助AM

狄更斯的研究生涯是从开发多功能复合材料开始的，这种材料是由两种或两种以上的物质结合在一起，创造出一种具有附加功能的新材料。从简单的组合，如钢筋混凝土或胶合板，到喷气发动机中使用的最先进的陶瓷复合材料。通过以新颖的方式组合多种物质，科学家可以创造出具有特定特性的新材料。

图 3.用于金属的磁场辅助AM

增材制造和数字制造为开发复合材料提供了新的途径，这是狄更斯实验室目前的研究重点。

例如，一些3D打印的塑料里面有小块金属。狄更斯开发了一种小型磁性装置，可以在3D打印过程中旋转流体悬浮液中的纳米颗粒，以调整强度等特性，这是美国国家科学基金会科学技术中心卓越研究中心项目的一部分。

他的团队已经为这种装置申请了专利，并且正在研发其他辅助打印设备。

对于这些材料，它是关于嵌入一些介电特性和能力，以实现电磁屏蔽和干扰。它们还可以有结构应用，以实际加强试图创造的结构。

在《虚拟和物理原型》(Virtual and Physical Prototyping)上发表了这篇论文，研究了增材制造的现状和场辅助增材制造的新兴技术，该技术利用磁铁、声学或电力等东西来微调打印。

图 4.聚合物的电场辅助AM

图 5.金属的电场辅助AM

图 6.声场辅助聚合物AM

图 7.声场辅助金属AM

图 8.场辅助4D打印

通过将磁性纳米材料与非磁性材料相结合，打印机可以制造出具有特定方向取向的纤维复合材料，从而使最终产品具有特定的强度特性。研究小组研究了金属丝和粉末作为打印材料的不同组合，发现了产生最大强度和柔韧性的比例。
3D打印研究，就像狄更斯正在开发的技术一样，可以用来为各种各样的应用创建定制模型或快速原型。随着增材制造技术的不断发展，工程师们正在努力使这项技术更加普及。

图9：塔里克·狄更斯（Tarik Dickens） 在佛罗里达州塔拉哈西创新园的 FAMU-FSU 工程学院 DeXter 3D 打印和增材制造实验室中。图片来源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程学院

“如果你每天早上醒来就能拥有一辆新车呢?”狄更斯说。“我是一个汽车爱好者。我希望今天早上醒来开着法拉利，明天开着玛莎拉蒂。从这个意义上说，增材制造的一个未来方向是像计算机本身一样。现在几乎每个家庭都有电脑。如果未来每个家庭都有一台3D打印机，那也许就像是《星际迷航》(Star Trek)里的技术一样。”


论文链接：

Abdullah Al Noman et al, Field assisted additive manufacturing for polymers and metals: materials and methods, Virtual and Physical Prototyping (2023). DOI: 10.1080/17452759.2023.2256707