超聲波技術讓3D打印機可打印碳纖復合材

3D打印機的出現意味著我們能夠在家里打印任何東西。但是盡管工業系統能夠支持金屬的打印，但是大多數現有的3D打印機只支持塑料的打印。

目前尚未實現諸如碳纖維的高科技復合材料的3D打印，碳纖維材質能夠制造出質量輕、強度高的產品，包括網球拍，空氣動力自行車甚至飛機零部件。但是來自布里斯拖大學的研究人員已經找到了一種改裝現有3D打印機的方法，這樣就能夠打印復合材料了。

如果設計合理，復合材料將擁有比任何同質量材料都高的強度，因此是應用于要求輕質高強場合的最佳選擇，如航空領域。通常，復合材料由樹脂作為基體材料，各類纖維作為增強材料制成。正是這些纖維及其正確排布方式使得復合材料擁有如此驚人的比強度。

目前，復合材料制品是將纖維排成片狀壓片制成的，這與制造硬布有點類似。然后，將這些制成品手工切割成一定形狀并進行逐層裝配，制成最終產品。正因為如此，復合材料制品價格昂貴，且不易使用3D打印制造。但是該研究團隊找到一種打印復合材料的方法——在現有價格低廉的3D打印機中加入一種相對簡單的工序。

本項突破基于一個簡單的理念：使用混有數百萬細小纖維的液態聚合體混合物打印。這種方法制造出來的打印材料能夠通過小型噴嘴在需要的位置進行打印。然后像其他3D打印工序一樣，將最終產品逐層打印出來。

這種工藝面臨的一項重大挑戰是如何將細小纖維重置于精確排布的模板中，這些模板是制造超高強度復合材料的必備條件。該研究團隊創新地使用超聲波將纖維送入聚合材料中的模板中（此時聚合物尚處于液態）。超聲波能夠高效地在液態塑料中形成特定的力場，纖維將向力場移動，并在低壓區（即節點）聚合。之后使用能夠固化聚合物的高密度激光束固定纖維。可以將形成的纖維想象成加強網絡，如地基或橋梁等混凝土結構中通常使用的加強鋼筋。

在研究中，研究團隊使用了液態環氧樹脂聚合物中的短玻璃纖維(把短玻璃纖維混入液態環氧樹脂中)，這種纖維方法能夠形成長纖維從而制造出傳統的復合物結構。但是這種工藝的靈活性極大，也能用來制造傳統方法不能制造的纖維類型。調整超聲波類型能夠在打印過程中引導纖維，生產出復雜的3D纖維結構，而不是2D結構層。

使用超聲波調整法最突出的優點之一是：這種方法幾乎適用于所有類型、尺寸和形狀的纖維。這能夠為產品設計人員提供全新的設計理念，并使打印能夠自我修復和利用環境發電的智能材料成為可能。

例如，研究人員正在研究嵌入式網絡空心管，其管心部填充未固化的聚合物復合材料。若材料受損，管內排出的聚合物將“修復”產品。使用這套超聲波打印系統可將這些空心管安裝在液態塑料中。

超聲波技術仍處于早期階段，因此別想著下周就能買到這樣的打印機。但是3D打印是一項飛速發展的領域，因此這些理念可能會在未來幾年進入市場。

該項研究成果已發表在Smart Materials and Structures。

素材：顧玥；譯者：北京組張瑩；審核：張寧寧

材料牛編輯整理。