可编程工程复合材料与旋转3D打印技术制造革新解析

天然复合材料，如木材和骨头，展现了一种无与伦比的轻质与机械性能的完美结合，其奥秘在于内部纤维复杂且多样的排列。尽管人类已能制造复杂的复合材料，但要复制自然界中的特殊机械性能和微妙结构仍是一大挑战。

哈佛大学的John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS，位于美国剑桥市）的研究人员，近日提出了一种全新的、受自然复合材料启发的3D打印技术。这项技术的核心在于，能够在打印部件的每个角落实现最佳的短纤维排列，仿佛模拟自然界中复合材料的构建方式。

该研究的资深作者Jennifer A Lewis以及哈佛海洋生物启发工程学院的Hansjorg Wyss教授表示：“在工程复合材料中局部控制纤维的排列是一个巨大的技术难题。但现在，我们可以像自然界构建材料那样，采用分层的方式对材料进行图案化设计。”

他们的研究成果被刊登在《美国国家科学院院刊》上，并命名为“旋转3D打印”技术。这种技术通过喷嘴的喷射速度和旋转角度的精确控制，对聚合物基体中的纤维排列进行编程，从而创建出具有最优强度、刚度和损伤容限的结构材料。

虽然刘易斯团队目前专注于制造碳纤维环氧树脂复合材料，但这种旋转喷嘴技术理论上可应用于任何材料的挤出打印方式，从熔融丝制造、直接墨水书写，到大规模热塑性添加剂制造以及任何需要填充材料的领域。

生物复合材料以其独特的机械性能而著称：单位重量的高刚度、高强度和高韧性。设计由生物复合材料启发的工程材料的一个重大挑战是如何在小范围甚至局部水平上控制纤维的排列。哈佛大学的这一研究成果成功实现了这一控制，无疑为生物复合材料的设计开辟了新的可能。这项技术的出现将极大地推动人类在工程材料领域的进步，展现出广阔的应用前景。