天然復(fù)合材料如木材和骨頭，其可以說是輕質(zhì)和密度與所需的機(jī)械性能進(jìn)行了完美的結(jié)合，這通常是由于系統(tǒng)內(nèi)纖維的復(fù)雜和多樣化排列造成的。盡管人類已經(jīng)能夠制造出越來越復(fù)雜的復(fù)合材料，但是，想要再現(xiàn)自然界中發(fā)現(xiàn)的特殊機(jī)械性能和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，則仍頗具挑戰(zhàn)。

 

       來自哈佛JohnA.Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS，Cambridge，MA，US）的研究人員，提出了一種受自然復(fù)合材料啟發(fā)的全新3D打印方法。這項(xiàng)新技術(shù)是為了能夠在打印部件的每個(gè)位置都實(shí)現(xiàn)最佳的短纖維排列。

 

       該研究的資深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物啟發(fā)工程學(xué)院Hansjorg Wyss教授說：“能夠在工程復(fù)合材料中局部控制纖維取向是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在我們可以用分層的方式對材料進(jìn)行圖案化，就像自然構(gòu)建的方式一樣。”

 

       該團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于2月份的《美國國家科學(xué)院院刊》上，并稱這種方法為“旋轉(zhuǎn)3D打印”技術(shù)。該方法通過使用能夠控制噴射速度和旋轉(zhuǎn)角度的噴嘴，來對聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進(jìn)行編程，創(chuàng)建出對強(qiáng)度、剛度和損傷容限進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)材料。

 

       雖然劉易斯的團(tuán)隊(duì)致力于制造碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但該方法可能具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。旋轉(zhuǎn)噴嘴理論上可以用于任何材料的擠出打印方式，從熔融絲制造、直接墨水書寫，到大規(guī)模熱塑性添加劑制造以及任何填充材料。

 

        生物復(fù)合材料通常具有顯著的機(jī)械性能：單位重量的高剛度、高強(qiáng)度以及高韌性。設(shè)計(jì)由生物復(fù)合材料啟發(fā)的工程材料的突出挑戰(zhàn)之一，即在小范圍和局部水平上控制纖維排列。哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這一成果則證明了這一方式的可行性，是生物復(fù)合材料設(shè)計(jì)的一大飛躍。