强大的变形3D打印：改变新的形状更换喷嘴，可以彻底改变“4D打印”

在动作中的变形喷嘴，3D印刷纤维复合材料，随着纤维对准的按需控制为“4D印刷”。

马里兰州大学（UMD）的工程师创造了一种新的形状变化或变形的3D打印喷嘴，在先进材料技术

该团队的变形喷嘴为研究人员提供了新的3D印刷“纤维填充复合材料” - 由短纤维组成的材料，这些材料促进了传统的3D印刷部件上的特殊性能，例如增强零件强度或导电性。挑战是这些属性基于短纤维的方向或“取向”，这在3D打印过程中难以控制，直到现在。

“当带有变形喷嘴的3D打印时，电源位于它们的侧面致动器上，这可以像气球一样膨胀，以改变喷嘴的形状，然后纤维的方向，”助理教授Ryan Sochol说在UMD A.詹姆斯克拉克工程学院的机械工程和Bioinspired Advanced Manufformant（BAM）实验室的机械工程和主任。

为了展示他们的新方法，研究人员在新兴的“4D印刷”应用程序上设定了他们的景点。“4D打印是指3D印刷物体的相对较新的概念，可以根据其环境重塑或转换，”研究该研究的共同作者大卫·贝里奥教授David Bigio表示。“在我们的工作中，我们看着在水中淹没时的印刷部件如何膨胀，而且，如果我们可以使用我们的变形喷嘴改变肿胀行为。”

4D印刷的最新进展依赖于能够均有“各向异性”膨胀的材料，在一个方向上比另一个方向肿胀，以及“各向同性”膨胀，在所有方向上相同肿胀。不幸的是，在这些条件之间切换通常需要研究人员用多种不同的材料打印。

“令人兴奋的是发现我们可以通过在3D印刷过程中改变喷嘴的形状来造成单一印刷材料转向各向异性和各向同性肿胀之间的过渡，”该研究的牵头Armstrong说。Armstrong作为他在UMD的女士论文研究的一部分中开发了这种方法。

“重要的是，喷嘴的变形能力和膨胀特性的分数不仅限于4D印刷，”研究共同作者和最近毕业机械工程本科生诺亚托德。“我们的方法可以应用于许多其他复合材料以定制其弹性，热，磁性或电气性能。”

有趣的是，为了构建变形喷嘴本身，该团队实际上转向不同的3D打印技术，称为“多角形印刷”。通过UMD的Terrapin Works 3D印刷机提供的基于多材料的喷墨的方法允许研究人员用柔性材料为可充气侧致动器和形状变形的中央通道进行3D打印喷嘴，而是用于外壳的刚性材料和访问端口。

“使用多材料多胶3D打印使我们能够设计具有操作功率范围或一组压力幅度的喷嘴，这些压力幅度可以在基本上进行任何研究实验室再现，”研究共同作者和机械工程博士候选人Abdullah Alsharhan表示。

在这种新方法的一个应用中，该团队正在探讨它们的策略来实现生物医学应用，其中散装印刷物体可以在来自身体的特定刺激的情况下重塑。该团队还在讨论几个国防部实验室使用变形喷嘴来支持武器的防御和其他军事系统。

“通过为三维印刷纤维填充的复合材料提供具有可进入方式的研究人员，随需控制其纤维方向，因此，它们的最终性能，”Sochol表示，“这项工作打开了3D打印的新应用的门。利用这些独特的材料属性和它们使能的独特功能。“

参考：“变形 - 喷嘴3D打印：通过Connor D. Armstrong，Noah Todd，Abdullah T. Alsharhan，David I. Bigio和Ryan D. Sochol，1月2021年1月5日，Abdullah T. Alshulah T. Amstrong，Dahulah T. Amstrong。
10.1002 / admt.202170004