马里兰州科学家为3D打印纤维填充的复合材料设计可变形喷嘴

在马里兰大学（UMD）研究人员设计了一个“变形”的喷嘴，使用户能够三维打印用纤维填充复合材料定制的部件。 

与传统的打印头不同，该团队的设备具有新颖的侧面致动器，可使其在打印过程中改变形状，并有效地重新定位材料的纤维。使用他们的新喷嘴，科学家们能够调整复杂物体的膨胀质量，从而有可能将其用于生物医学或军事应用。 

UMD机械工程助理教授Ryan Sochol解释说：“当使用我们的变形喷嘴进行3D打印时，动力就在其侧面执行器，可以像气球一样膨胀。” “这改变了喷嘴的形状，进而改变了纤维的方向。”

研究人员的新型喷嘴（如图所示）使他们能够制造出一些物体，这些物体一旦暴露于水就会显示出特定的溶胀特性。通过先进材料技术杂志拍摄。

优化填充纤维的3D打印 

挤出系统可与多种材料兼容，并且利用这种灵活性，研究人员越来越多地寻求制造嵌入式纤维部件。通过调整这些化合物螺纹的方向，可以创建具有增强特性的对象，但是这种方法确实存在缺陷。 

3D打印含纤维复合材料的一个挑战是，普通的挤出喷嘴仅允许在沉积过程中进行相同的纤维排列，这限制了任何取向控制。因此，在4D打印中，用户需要手动对喷头的沉积路径进行建模，以确保他们生产出优化的零件。 

为了能够更好地控制纤维方向，许多研究人员开发了升级的喷嘴，这些喷嘴使用外部施加的场来控制空间分布。然而，这种磁性方法往往不会产生复杂的零件或与许多材料兼容，这限制了它们的采用。 

最近，科学家开发了“旋转DIW”（RDIW）工艺，使打印头旋转，从而使用户可以根据需要对齐纤维。尽管RDIW经常在航空航天中使用，但很少在3D打印过程中部署它，因此UMD团队着手设计专门针对AM优化的RDIW设备。 

使用polyjet 3D打印，UMD团队能够将刚性和柔韧性材料集成到单个设备中。

UMD的变形喷嘴  

使用Stratasys Objet500 3D打印机，研究人员能够用多种材料创建新的喷嘴，而不会影响其完整性。例如，设计本身既具有用于适配器兼容的刚性端口，又具有可充气的侧面致动器，可在打印过程中改变纤维的方向。 

为了演示其设备的功能，UMD团队尝试自定义4D打印过程，不过可以根据环境创建可重塑形状的零件。具体而言，科学家试图使用其喷嘴调节浸入水中的物体的溶胀特性。  

通常，需要多种材料来实现这种各向异性的扩展，但是UMD团队使用其增强的喷嘴可以在单个复合物中控制这些行为。主要作者康纳·阿姆斯特朗（Connor Armstrong）说：“令人兴奋的是发现我们可以使一种印刷材料在各向异性和各向同性溶胀之间过渡。” 

“重要的是，喷嘴在溶胀性能上变形和平均得分的能力不仅限于4D打印，”研究合著者Noah Todd补充说。“我们的方法可以用于3D打印许多其他复合材料，以自定义其弹性，热，磁或电特性。”

未来，科学家们认为，他们的方法也可以在其他印刷工艺中应用，以制造能够按需扩展的生物医学产品。先进的喷嘴也具有潜在的军事应用，该团队正在与 国防部实验室合作探索这一研究领域。