滑鐵盧大學：利用功能分級陶瓷3D打印燈罩

2023年1月18日，南極熊獲悉，加拿大滑鐵盧大學的研究人員提出了一種利用功能分級陶瓷3D打印家居用品的新穎方法。



研究人員通過對功能梯度材料進行精確編譯，可以賦予它們不同的表面特性，使其滿足特定應用的需求。Waterloo團隊創(chuàng)造了一種分級的粘土基復合材料，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出在濕法加工過程中改變其形狀的方法，并將3D打印應用到可以“分級”燈照明的燈罩上。


△正在 3D 打印的研究人員之一的燈罩。照片來自滑鐵盧大學的 James Clarke-Hicks。

改變打印件構(gòu)建結(jié)構(gòu)
當提及到目前建筑行業(yè)使用的陶瓷配方時，人們往往是研究材料的均勻性。這是因為各個陶瓷單元之間的一致性能夠提高生產(chǎn)過程的可預測性和成本，并且還有助于將它們應用到如磚塊或瓷磚等地方。

傳統(tǒng)粘土制造的另一個核心要素在于材料性能屬性的調(diào)節(jié)，這是一種能夠最大限度地減少變形的方法。粘土加工有許多成型方法，包括在濕法加工過程中使用模具等方法。 通過在粘土3D打印部件中利用其塑性變形特點，滑鐵盧大學團隊提出，有可能實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的具有“可變截面”的構(gòu)建結(jié)構(gòu)。研究人員指出，這在創(chuàng)建具有所需穩(wěn)定性、截面寬度和孔隙率的結(jié)構(gòu)時很有用途，例如從不透明到高度多孔的結(jié)構(gòu)。


△工程師的自定義數(shù)字工具路徑。圖片來自滑鐵盧大學。

創(chuàng)建功能漸變的結(jié)構(gòu)
一旦他們配制出功能分級材料，該團隊便著手開發(fā)一種適用于此材料的精確3D打印方法。用粘土生產(chǎn)零件比用聚合物有難度，因為它更重、粘彈性更高、界面結(jié)合力更低，這些特性可能會導致3D模型與其打印模型之間存在差異。 為了解決這個問題，研究人員決定放棄切片軟件，并在 Grasshopper 中提出他們自己的刀具路徑設計，利用材料的下垂特性，創(chuàng)建非平面結(jié)構(gòu)。

在多次迭代工具路徑以減少幾何生成、打印分辨率、擠壓域和速度值的數(shù)字變量數(shù)量后，該團隊在實踐中進行了使用。滑鐵盧工程師利用液體沉積(LDM) 3D打印技術(shù)，制造了具有功能分級的孔徑，使得光屏具有改變照明亮度的不同孔隙率。

通過沉積一系列無支撐的懸垂物創(chuàng)建孔徑，研究人員使用三種不同的設計進行了測試，光屏分別具有小、中和大間隙。雖然其中最小的具有單層的孔徑，但較大的構(gòu)建分別使用11層和17層的循環(huán)制造方式，每種情況最終都產(chǎn)生了成功的結(jié)構(gòu)。

研究人員實驗中最令人印象深刻的方面是最大的燈罩包含兩種不同的圖案，它們重疊在其外部形成兩個不同的照明架。未來，該團隊表示他們的方法可以“應用于多種基礎(chǔ)幾何形狀”，包括燈具、裝飾性組件和隱私屏幕等。


△研究人員 3D 打印功能梯度材料方法的概述。照片來自滑鐵盧大學。

其他粘土3D打印
雖然在 3D 打印行業(yè)中并不常見，但作為建筑材料，它十分常用。WASP是該領(lǐng)域的早期領(lǐng)導者之一，該公司繼續(xù)推進其粘土兼容技術(shù)，2021年還成功打印了本田的 3D 打印摩托車模型。



在其他更具實驗性的應用中，代爾夫特理工大學的研究人員此前也開發(fā)了一種基于煅燒粘土的 3D 打印水泥。與傳統(tǒng)水泥相比，這種新型陶瓷可以提供更好的流動一致性、水合性能和可施工性，這些都是精密擠壓的關(guān)鍵方面。

更多研究內(nèi)容可下載原文查看：https://doi.org/10.1007/s44150-022-00079-0