新的3D打印技術(shù)，聚合物和金屬的場輔助增材制造

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

美國佛羅里達(dá)州塔拉哈西高性能材料研究所和FAMU-FSU工程學(xué)院的科研人員報道了一種新開發(fā)的3D打印技術(shù)，聚合物和金屬的場輔助增材制造: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，但在聚合物和金屬復(fù)合材料的有限材料選擇、各向異性以及實現(xiàn)功能性微結(jié)構(gòu)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(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復(fù)合材料的最新FAAM工藝，重點介紹了材料兼容性，各個領(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(fù)合材料，從而在航空航天、汽車、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

從汽車的電子設(shè)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(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）的實驗室里，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(fù)合材料開始的，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(fù)合材料。通過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.用于金屬的磁場輔助AM

增材制造和數(shù)字制造為開發(fā)復(fù)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(zhuǎn)流體懸浮液中的納米顆粒，以調(diào)整強度等特性，這是美國國家科學(xué)基金會科學(xué)技術(shù)中心卓越研究中心項目的一部分。

他的團隊已經(jīng)為這種裝置申請了專利，并且正在研發(fā)其他輔助打印設(shè)備。

對于這些材料，它是關(guān)于嵌入一些介電特性和能力，以實現(xiàn)電磁屏蔽和干擾。它們還可以有結(jié)構(gòu)應(yīng)用，以實際加強試圖創(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)或電力等東西來微調(diào)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(jié)合，打印機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(shù)一樣，可以用來為各種各樣的應(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 打印和增材制造實驗室中。圖片來源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程學(xué)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(xiàn)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(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