Инженеры разработали новый метод 3D-печати волокнистых композитов — они предложили использовать вращающуюся печатающую головку, что позволяет ориентировать волокна в нужном направлении. Благодаря смене скорости вращения в процессе печати можно создавать материалы с заданными однородными или неоднородными механическими свойствами, сообщают исследователи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Некоторые компании используют 3D-печать в качестве основного метода производства. С ее помощью проще и дешевле создавать детали сложной формы. Но у такого метода есть и недостаток: не всегда с его помощью можно получить материал с такой же микроструктурой, которая получается традиционными методами. К примеру, при создании металлической детали может использоваться несколько видов термо- и механической обработки, которые сложно имитировать в 3D-печати, а также, зачастую в напечатанных металлических деталях образуется много снижающих прочность микропор.

Еще один проблемный для 3D-печати тип материалов — композиты на основе микрочастиц или волокон. Механические свойства таких материалов могут сильно зависеть от того, как эти частицы расположены в материале. Обычно при 3D-печати большая часть частиц ориентируется вдоль направления печати. Некоторые исследователи предлагают управлять их расположением с помощью магнитного или электрического поля или акустическим воздействием на печатаемую область, но такой подход имеет заметные недостатки, к примеру, с его помощью сложно создавать материалы с неравномерной ориентацией частиц.

Brett Compton/SEAS

Инженеры под руководством Дженнифер Льюис (Jennifer A. Lewis) из Гарвардского университета разработали метод 3D-печати, позволяющий управлять ориентацией волокон в печатаемом материале без внешних воздействий. Для этого предложили использовать вращающуюся печатающую головку, которая ориентирует волокна по кругу, причем, регулируя отношение скорости вращения к скорости печати, можно управлять ориентацией волокон.

Фотография печатающей головки и схема метода (сверху). Схематическое изображение зависимости ориентации волокон от вращения. Jordan R. Raney et al. / PNAS, 2018

Для того, чтобы измерить влияние вращения на ориентацию волокон и прочность композита, инженеры напечатали на прототипе 3D-принтера множество образцов. В качестве чернил они использовали углепластик на основе эпоксидной смолы. Как и предполагалось, образцы, напечатанные без вращения, оказались заметно прочнее, но только в одном направлении, тогда как у образцов с вращением прочность была изотропна. Помимо изотропной прочности, трещиностойкость образцов, изготовленных по новой методике, также оказалась гораздо выше.

Ориентация волокон в материале при печати без вращения и с вращением печатающей головки. Jordan R. Raney et al. / PNAS, 2018

Исследователи показали, что, меняя скорость вращения головки, можно создавать образцы с неравномерным распределением механических свойств по объему. Таким образом можно создавать детали, распределение напряжений в которых будет заданно не только их формой, но и структурой.

В прошлом году американские инженеры разработали программное обеспечение для топологической оптимизации деталей, печатаемых на 3D-принтере. Оно анализирует заданную форму детали и планируемую нагрузку, и оптимизирует структуру материала соответствующим образом.

Автор: *Григорий Копиев**