В природе существуют изысканные композиционные материалы — например, древесина, кость, зубы и раковины, которые сочетают легкий вес и плотность с желаемыми механическими свойствами, такими как жесткость, прочность и устойчивость к повреждениям.
Поскольку древние цивилизации сначала объединили песок и глину, чтобы сделать кирпичи, современные люди скомпилировали сложные композиты с повышенной производительностью и сложностью. Но воспроизводить исключительные механические свойства и сложные микроструктуры, найденные в природе, было непросто.
Теперь группа исследователей из Школы инженеров и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) продемонстрировала новый метод 3D-печати, который обеспечивает беспрецедентный контроль за расположением коротких волокон, встроенных в полимерные матрицы. Они использовали эту технологию изготовления присадок для программирования ориентации волокон в эпоксидных композитах в определенных местах, что позволяет создавать конструкционные материалы, оптимизированные по прочности, жесткости и устойчивости к повреждениям.
Их метод, называемый «ротационной 3D-печатью», может иметь широкое применение. Учитывая модульность конструкции «чернил», можно использовать множество различных комбинаций наполнителей и матриц, чтобы адаптировать электрические, оптические или термические свойства печатных объектов.
«Способность локально контролировать ориентацию волокон в конструкционных композитах была большой проблемой», — сказал старший автор исследования Дженнифер А. Льюис, профессор Hansjorg Wyss по биологическому вдохновению в Гарвардской SEAS. «Теперь мы можем структурировать материалы в иерархическом порядке, сродни тому, как их создает природа».
Работа, описанная в журнале PNAS, была проведена в лаборатории Льюиса в Гарварде.
Ключом к подходу в работе является точное соотношение скорости и вращения сопла 3D-принтера для программирования расположения внедренных волокон в полимерных матрицах. Это достигается за счет оснащения вращающейся печатающей головки шаговым двигателем для направления угловой скорости вращающегося сопла при прессовании «чернил».
«Ротационная 3D-печать может использоваться для достижения оптимальных или почти оптимальных волоконных свойств в каждом месте в печатной части, что приводит к большей прочности и жесткости с меньшим количеством материала», — говорят ученые. «Вместо того, чтобы использовать магнитные или электрические поля для ориентации волокон, мы контролируем поток самой «краски», чтобы придать желаемую ориентацию волокна».
Доцент по машиностроению в Университете Теннесси Бретт Комптон отметил, что такая концепция сопла может быть использована на любом способе экструзионной печати материала, от изготовления плавленых нитей, прямой печати, до производства крупногабаритных термопластичных присадок с любым наполнителем из углеродных и стеклянных волокон.
Эта технология позволяет выполнять 3D-печать инженерных материалов, которые могут быть запрограммированы для достижения конкретных целей в области производительности. Например, ориентация волокон может быть локально оптимизирована для увеличения устойчивости к повреждениям в местах, которые, как ожидается, будут испытывать наибольшее напряжение во время нагрузки.
«Одна из интересных вещей в этой работе заключается в том, что она предлагает новый путь для создания сложных микроструктур и для управления изменяющейся микроструктурой», — говорит Комптон. «Больше контроля над структурой означает больше контроля над результирующими свойствами, что значительно расширяет пространство дизайна, которое может быть использовано для дальнейшей оптимизации свойств материалов».
«Биологические композиционные материалы часто имеют замечательные механические свойства: высокую жесткость и прочность на единицу веса и высокую ударную вязкость. Одной из выдающихся задач проектирования технических материалов, основанных на биологических композитах, является контроль ориентации волокон на небольших масштабах длины», сказала Лорна Дж. Гибсон, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, которая не участвовала в исследовании. «Эта замечательная работа группы Льюиса демонстрирует способ сделать именно это. Это представляет собой огромный шаг вперед в разработке новых материалов».