新的3D打印技術，聚合物和金屬的場輔助增材制造

來源：長三角G60激光聯盟

美國佛羅里達州塔拉哈西高性能材料研究所和FAMU-FSU工程學院的科研人員報道了一種新開發(fā)的3D打印技術，聚合物和金屬的場輔助增材制造:材料和方法。相關研究以“Field assisted additive manufacturing for polymers and metals: materials and methods”為題發(fā)表在《Virtual and Physical Prototyping》上。

增材制造(AM)已經成為一種變革性技術，各行各業(yè)制造復雜的幾何形狀和多材料結構。盡管具有潛力，盡管其潛力巨大，但在聚合物和金屬復合材料的有限材料選擇、各向異性以及實現功能性微結構等方面仍存在挑戰(zhàn)。場輔助增材制造(FAAM)利用聲場、磁場和電場等外部場。通過控制聚合物復合材料中填料的取向和濃度，以及改善金屬的表面光潔度和微觀結構，有望解決這些限制。本文全面分析了聚合物和金屬復合材料的最新FAAM工藝，重點介紹了材料兼容性，各個領域的力學原理，以及它們與增材制造技術的整合，以及FAAM工藝發(fā)展的當前應用、局限性和潛在的未來發(fā)展方向。增強對FAAM工藝的理解可以創(chuàng)造出量身定制的各向異性復合材料，從而在航空航天、汽車、生物醫(yī)學等領域實現創(chuàng)新應用。

圖 1.AM 技術概覽

從汽車的電子設備到商用客機的部件，一切都是最先進的3D打印材料。它們的強度和性質取決于它們是由什么構成的以及它們是如何構成的。
在FAMU-FSU工程學院塔里克·狄更斯（Tarik Dickens）的實驗室里，研究人員正在微調3D打印中使用的工具，幫助為各種應用創(chuàng)造更好、更堅固的材料。

圖 2.用于聚合物的磁場輔助AM

狄更斯的研究生涯是從開發(fā)多功能復合材料開始的，這種材料是由兩種或兩種以上的物質結合在一起，創(chuàng)造出一種具有附加功能的新材料。從簡單的組合，如鋼筋混凝土或膠合板，到噴氣發(fā)動機中使用的最先進的陶瓷復合材料。通過以新穎的方式組合多種物質，科學家可以創(chuàng)造出具有特定特性的新材料。

圖 3.用于金屬的磁場輔助AM

增材制造和數字制造為開發(fā)復合材料提供了新的途徑，這是狄更斯實驗室目前的研究重點。

例如，一些3D打印的塑料里面有小塊金屬。狄更斯開發(fā)了一種小型磁性裝置，可以在3D打印過程中旋轉流體懸浮液中的納米顆粒，以調整強度等特性，這是美國國家科學基金會科學技術中心卓越研究中心項目的一部分。

他的團隊已經為這種裝置申請了專利，并且正在研發(fā)其他輔助打印設備。

對于這些材料，它是關于嵌入一些介電特性和能力，以實現電磁屏蔽和干擾。它們還可以有結構應用，以實際加強試圖創(chuàng)造的結構。

在《虛擬和物理原型》(Virtual and Physical Prototyping)上發(fā)表了這篇論文，研究了增材制造的現狀和場輔助增材制造的新興技術，該技術利用磁鐵、聲學或電力等東西來微調打印。

圖 4.聚合物的電場輔助AM

圖 5.金屬的電場輔助AM

圖 6.聲場輔助聚合物AM

圖 7.聲場輔助金屬AM

圖 8.場輔助4D打印

通過將磁性納米材料與非磁性材料相結合，打印機可以制造出具有特定方向取向的纖維復合材料，從而使最終產品具有特定的強度特性。研究小組研究了金屬絲和粉末作為打印材料的不同組合，發(fā)現了產生最大強度和柔韌性的比例。
3D打印研究，就像狄更斯正在開發(fā)的技術一樣，可以用來為各種各樣的應用創(chuàng)建定制模型或快速原型。隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，工程師們正在努力使這項技術更加普及。

圖9：塔里克·狄更斯（Tarik Dickens） 在佛羅里達州塔拉哈西創(chuàng)新園的 FAMU-FSU 工程學院 DeXter 3D 打印和增材制造實驗室中。圖片來源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程學院

“如果你每天早上醒來就能擁有一輛新車呢?”狄更斯說。“我是一個汽車愛好者。我希望今天早上醒來開著法拉利，明天開著瑪莎拉蒂。從這個意義上說，增材制造的一個未來方向是像計算機本身一樣。現在幾乎每個家庭都有電腦。如果未來每個家庭都有一臺3D打印機，那也許就像是《星際迷航》(Star Trek)里的技術一樣。”


論文鏈接：

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