超声波技术让3D打印机可打印碳纤复合材

3D打印机的出现意味着我们能够在家里打印任何东西。但是尽管工业系统能够支持金属的打印，但是大多数现有的3D打印机只支持塑料的打印。

目前尚未实现诸如碳纤维的高科技复合材料的3D打印，碳纤维材质能够制造出质量轻、强度高的产品，包括网球拍，空气动力自行车甚至飞机零部件。但是来自布里斯拖大学的研究人员已经找到了一种改装现有3D打印机的方法，这样就能够打印复合材料了。

如果设计合理，复合材料将拥有比任何同质量材料都高的强度，因此是应用于要求轻质高强场合的最佳选择，如航空领域。通常，复合材料由树脂作为基体材料，各类纤维作为增强材料制成。正是这些纤维及其正确排布方式使得复合材料拥有如此惊人的比强度。

目前，复合材料制品是将纤维排成片状压片制成的，这与制造硬布有点类似。然后，将这些制成品手工切割成一定形状并进行逐层装配，制成最终产品。正因为如此，复合材料制品价格昂贵，且不易使用3D打印制造。但是该研究团队找到一种打印复合材料的方法——在现有价格低廉的3D打印机中加入一种相对简单的工序。

本项突破基于一个简单的理念：使用混有数百万细小纤维的液态聚合体混合物打印。这种方法制造出来的打印材料能够通过小型喷嘴在需要的位置进行打印。然后像其他3D打印工序一样，将最终产品逐层打印出来。

这种工艺面临的一项重大挑战是如何将细小纤维重置于精确排布的模板中，这些模板是制造超高强度复合材料的必备条件。该研究团队创新地使用超声波将纤维送入聚合材料中的模板中（此时聚合物尚处于液态）。超声波能够高效地在液态塑料中形成特定的力场，纤维将向力场移动，并在低压区（即节点）聚合。之后使用能够固化聚合物的高密度激光束固定纤维。可以将形成的纤维想象成加强网络，如地基或桥梁等混凝土结构中通常使用的加强钢筋。

在研究中，研究团队使用了液态环氧树脂聚合物中的短玻璃纤维(把短玻璃纤维混入液态环氧树脂中)，这种纤维方法能够形成长纤维从而制造出传统的复合物结构。但是这种工艺的灵活性极大，也能用来制造传统方法不能制造的纤维类型。调整超声波类型能够在打印过程中引导纤维，生产出复杂的3D纤维结构，而不是2D结构层。

使用超声波调整法最突出的优点之一是：这种方法几乎适用于所有类型、尺寸和形状的纤维。这能够为产品设计人员提供全新的设计理念，并使打印能够自我修复和利用环境发电的智能材料成为可能。

例如，研究人员正在研究嵌入式网络空心管，其管心部填充未固化的聚合物复合材料。若材料受损，管内排出的聚合物将“修复”产品。使用这套超声波打印系统可将这些空心管安装在液态塑料中。

超声波技术仍处于早期阶段，因此别想着下周就能买到这样的打印机。但是3D打印是一项飞速发展的领域，因此这些理念可能会在未来几年进入市场。

该项研究成果已发表在Smart Materials and Structures。

素材：顾玥；译者：北京组张莹；审核：张宁宁

材料牛编辑整理。