3D打印復合材料纖維取向的控制及功能設計

供稿人:晏夢雪、田小永

在復合材料的制備中，纖維的高度取向可以帶來一系列的好處，能夠大幅提高纖維取向方向上的力學強度以及賦予復合材料特定的功能。將纖維取向技術與3D打印技術相結合，可以進一步提高3D打印技術的可設計性，同時，也為3D打印仿生結構提供了可能。

2015年，蘇黎世理工大學的研究團隊在光固化成型設備中增加了電磁場，如圖1，在光敏樹脂中添加磁性顆粒，通過磁場對磁性顆粒的取向進行誘導，從而實現3D打印可控纖維取向的特殊結構，如圖2所示，分別制備了仿貝殼結構、仿蝦鉗結構以及哺乳動物的骨頭結構[1]。但是該種方法的基體材料只能是單一成份的光敏樹脂，具有一定的局限性。

圖1 磁場輔助3D打印過程

圖2 磁場輔助3D打印技術-仿生結構的制備

此后，該團隊采用多噴頭直寫工藝，結合磁場誘導磁性顆粒取向，實現了多材料及任意纖維排布的一體制造[2]，制造過程如圖3所示，此外，該團隊設計了一種具有不同剛度基體材料及纖維取向的緊固構件，并實現了3D打印制造，如圖4所示。

圖3 多材料多角度纖維取向3D打印

圖4多材料及可控纖維取向的緊固構件設計及制造

近期，他們又利用剪切力對纖維取向進行誘導，采用微晶纖維素作為原材料，利用直寫工藝，在詳細探索了纖維取向形成的規(guī)律的基礎上，采用3D打印制備了特定的纖維取向結構[3]，如圖5所示。

圖5利用剪切力誘導纖維取向

參考文獻：
Martin J J, Fiore B E, Erb R M. Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing[J]. Nature communications, 2015, 6: 8641.
Kokkinis D, Schaffner M, Studart A R. Multimaterial magnetically assisted 3D printing of composite materials[J]. Nature communications, 2015, 6: 8643.
Hausmann M K, Rühs P A, Siqueira G, et al. Dynamics of Cellulose Nanocrystal Alignment during 3D Printing[J]. ACS nano, 2018, 12(7): 6926-6937.

供稿人:晏夢雪、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室