新的3D打印技術(shù),，聚合物和金屬的場(chǎng)輔助增材制造

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

美國(guó)佛羅里達(dá)州塔拉哈西高性能材料研究所和FAMU-FSU工程學(xué)院的科研人員報(bào)道了一種新開(kāi)發(fā)的3D打印技術(shù),，聚合物和金屬的場(chǎng)輔助增材制造:材料和方法。相關(guān)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(jīng)成為一種變革性技術(shù),，各行各業(yè)制造復(fù)雜的幾何形狀和多材料結(jié)構(gòu),。盡管具有潛力，盡管其潛力巨大，但在聚合物和金屬?gòu)?fù)合材料的有限材料選擇,、各向異性以及實(shí)現(xiàn)功能性微結(jié)構(gòu)等方面仍存在挑戰(zhàn),。場(chǎng)輔助增材制造(FAAM)利用聲場(chǎng),、磁場(chǎng)和電場(chǎng)等外部場(chǎng),。通過(guò)控制聚合物復(fù)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(jié)構(gòu),，有望解決這些限制,。本文全面分析了聚合物和金屬?gòu)?fù)合材料的最新FAAM工藝，重點(diǎn)介紹了材料兼容性,，各個(gè)領(lǐng)域的力學(xué)原理,，以及它們與增材制造技術(shù)的整合，以及FAAM工藝發(fā)展的當(dāng)前應(yīng)用,、局限性和潛在的未來(lái)發(fā)展方向,。增強(qiáng)對(duì)FAAM工藝的理解可以創(chuàng)造出量身定制的各向異性復(fù)合材料，從而在航空航天,、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用,。

圖 1.AM 技術(shù)概覽

從汽車(chē)的電子設(shè)備到商用客機(jī)的部件,，一切都是最先進(jìn)的3D打印材料。它們的強(qiáng)度和性質(zhì)取決于它們是由什么構(gòu)成的以及它們是如何構(gòu)成的,。
在FAMU-FSU工程學(xué)院塔里克·狄更斯（Tarik Dickens）的實(shí)驗(yàn)室里,，研究人員正在微調(diào)3D打印中使用的工具，幫助為各種應(yīng)用創(chuàng)造更好,、更堅(jiān)固的材料,。

圖 2.用于聚合物的磁場(chǎng)輔助AM

狄更斯的研究生涯是從開(kāi)發(fā)多功能復(fù)合材料開(kāi)始的，這種材料是由兩種或兩種以上的物質(zhì)結(jié)合在一起,，創(chuàng)造出一種具有附加功能的新材料,。從簡(jiǎn)單的組合，如鋼筋混凝土或膠合板,，到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的最先進(jìn)的陶瓷復(fù)合材料,。通過(guò)以新穎的方式組合多種物質(zhì),，科學(xué)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(chǎng)輔助AM

增材制造和數(shù)字制造為開(kāi)發(fā)復(fù)合材料提供了新的途徑,，這是狄更斯實(shí)驗(yàn)室目前的研究重點(diǎn),。

例如，一些3D打印的塑料里面有小塊金屬,。狄更斯開(kāi)發(fā)了一種小型磁性裝置,，可以在3D打印過(guò)程中旋轉(zhuǎn)流體懸浮液中的納米顆粒，以調(diào)整強(qiáng)度等特性,，這是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)科學(xué)技術(shù)中心卓越研究中心項(xiàng)目的一部分,。

他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這種裝置申請(qǐng)了專(zhuān)利，并且正在研發(fā)其他輔助打印設(shè)備,。

對(duì)于這些材料,，它是關(guān)于嵌入一些介電特性和能力，以實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽和干擾,。它們還可以有結(jié)構(gòu)應(yīng)用,，以實(shí)際加強(qiáng)試圖創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)。

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(xiàn)狀和場(chǎng)輔助增材制造的新興技術(shù),，該技術(shù)利用磁鐵、聲學(xué)或電力等東西來(lái)微調(diào)打印,。

圖 4.聚合物的電場(chǎng)輔助AM

圖 5.金屬的電場(chǎng)輔助AM

圖 6.聲場(chǎng)輔助聚合物AM

圖 7.聲場(chǎng)輔助金屬AM

圖 8.場(chǎng)輔助4D打印

通過(guò)將磁性納米材料與非磁性材料相結(jié)合,，打印機(jī)可以制造出具有特定方向取向的纖維復(fù)合材料，從而使最終產(chǎn)品具有特定的強(qiáng)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(xiàn)了產(chǎn)生最大強(qiáng)度和柔韌性的比例。
3D打印研究,，就像狄更斯正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)一樣,，可以用來(lái)為各種各樣的應(yīng)用創(chuàng)建定制模型或快速原型。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,，工程師們正在努力使這項(xiàng)技術(shù)更加普及,。

圖9：塔里克·狄更斯（Tarik Dickens） 在佛羅里達(dá)州塔拉哈西創(chuàng)新園的 FAMU-FSU 工程學(xué)院 DeXter 3D 打印和增材制造實(shí)驗(yàn)室中。圖片來(lái)源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程學(xué)院

“如果你每天早上醒來(lái)就能擁有一輛新車(chē)呢?”狄更斯說(shuō),�,！拔沂且粋�(gè)汽車(chē)愛(ài)好者。我希望今天早上醒來(lái)開(kāi)著法拉利,，明天開(kāi)著瑪莎拉蒂,。從這個(gè)意義上說(shuō)，增材制造的一個(gè)未來(lái)方向是像計(jì)算機(jī)本身一樣�,，F(xiàn)在幾乎每個(gè)家庭都有電腦,。如果未來(lái)每個(gè)家庭都有一臺(tái)3D打印機(jī),，那也許就像是《星際迷航》(Star Trek)里的技術(shù)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