В Гарварде решают загадку природных композитных материалов с помощью 3d печати с вращением

Композитные материалы, которые в природе можно найти в зубах и в раковинах моллюсков, как и синтетические материалы, такие, как усиленный бетон, автомобильные шины и фанера, для обеспечения высокой прочности используют определенное расположение волокон. Однако в объектах, создаваемых человеком, все еще предстоит повторить то, как действует природа.

Используя вращающиеся 3d принтеры, группа из лаборатории Левис при Гарвардской школе техники и прикладной науки Джона Паулсона (SEAS) разработала способ управления ориентацией волокон внутри материала, придав вращение FDM 3d принтеру. Руководитель исследования, Дженнифер Левис (Jennifer A. Lewis), комментируя результаты работы, говорит: «Теперь мы можем располагать материалы в иерархическом порядке, похожем на то, как строит материалы природа».

Двигаться с потоком

Ранее в качестве средства для требуемого расположения волокон в полимерной смеси использовались магнитные или электрические поля. Однако применение этих токов увеличивает уровень сложности весьма простого в целом процесса нанесения материала.

Вместо этого, предложенный лабораторией Левис метод, для придания ориентации волокон в смеси, использует реологию — науку о пластической деформации и текучести, поскольку «чернила» 3d принтера, в сущности, представляют собой поток жидкости.

Вместо стандартного экструдера, у 3d принтера лаборатории используется быстро вращающаяся форсунка, в которой в качестве рабочего материала используется не нить, а жидкость на основе эпоксидной смолы. Благодаря точному управлению скоростью и вращением форсунки, группа смогла эффективно запрограммировать положение волокон в наполнителе, обеспечив различную жесткость материала в получаемой детали.

«Больше всего в этой работе, — поясняет соавтор Джордан Рэйни (Jordan Raney) — нас волнует то, что она открывает новый путь создания сложных микроструктур с управляемым изменением этих микроструктур внутри готового изделия».

«Увеличение управления структурой означает получение более контролируемых итоговых свойств, что значительно увеличивает область конструирования, которая может использоваться для еще большей оптимизации свойств».

Защитивший докторскую диссертацию в Гарвардском университете, Рэйни сегодня работает доцентом по машиностроению и прикладной механике в университете Пенсильвании. Среди прочего, он разрабатывает «новые методы контроля внутренних структурных характеристик систем материалов».

От нано к макро

Независящий от электрических или магнитных токов, вращающийся 3d принтер представляет собой универсальное средство. Его можно использовать с любыми методами экструзии материалов (FFF/FDM, прямое напыление чернил, BAAM), и с любыми материалами, содержащими волокна, в том числе, углеродные волокна и керамические пластинки.

Другой соавтор работы, Бретт Комптон (Brett Compton), занимает сегодня должность доцента машиностроения в университете Теннесси в Ноксвилле, и проводит исследования для компании Oak Ridges по использованию метода BAAM (аддитивное изготовление больших деталей).