3D-друк з обертанням підвищила міцність волокнистих композитів

Інженери розробили новий метод 3D-друку волокнистих композитів - вони запропонували використовувати обертову головку, що друкує, що дозволяє орієнтувати волокна в потрібному напрямку. Завдяки зміні швидкості обертання в процесі друку можна створювати матеріали з заданими однорідними або неоднорідними механічними властивостями, повідомляють дослідники в журналі.

Деякі компанії використовують 3D-друк як основний метод виробництва. З її допомогою простіше і дешевше створювати деталі складної форми. Але у такого методу є і недолік: не завжди з його допомогою можна отримати матеріал з такою ж мікроструктурою, яка виходить традиційними методами. Наприклад, при створенні металевої деталі може використовуватися кілька видів термо- і механічної обробки, які складно імітувати в 3D-друку, а також, часто в надрукованих металевих деталях утворюється багато мікропор, що знижують міцність.

Ще один проблемний для 3D-друку тип матеріалів - композити на основі мікрочастинок або волокон. Механічні властивості таких матеріалів можуть сильно залежати від того, як ці частинки розташовані в матеріалі. Зазвичай при 3D-друку велика частина частинок орієнтується вздовж напрямку друку. Деякі дослідники пропонують керувати їх розташуванням за допомогою магнітного або електричного поля або акустичним впливом на друковану область, але такий підхід має помітні недоліки, наприклад, з його допомогою складно створювати матеріали з нерівномірною орієнтацією частинок.

Інженери під керівництвом Дженніфер Льюїс (Jennifer A. Lewis) з Гарвардського університету розробили метод 3D-друку, що дозволяє керувати орієнтацією волокон у друкованому матеріалі без зовнішніх впливів. Для цього запропонували використовувати обертову головку, яка орієнтує волокна по колу, причому, регулюючи ставлення швидкості обертання до швидкості друку, можна керувати орієнтацією волокон.

Для того, щоб виміряти вплив обертання на орієнтацію волокон і міцність композиту, інженери надрукували на прототипі 3D-принтера безліч зразків. Як чорнило вони використовували вуглепластик на основі епоксидної смоли. Як і передбачалося, зразки, надруковані без обертання, виявилися помітно міцнішими, але тільки в одному напрямку, тоді як у зразків з обертанням міцність була ізотропна. Крім ізотропної міцності, тріщиностійкість зразків, виготовлених за новою методикою, також виявилася набагато вищою.

Дослідники показали, що, змінюючи швидкість обертання головки, можна створювати зразки з нерівномірним розподілом механічних властивостей за обсягом. Таким чином можна створювати деталі, розподіл напружень в яких буде задано не тільки їх формою, але і структурою.

Торік американські інженери розробили програмне забезпечення для топологічної оптимізації деталей, що друкуються на 3D-принтері. Воно аналізує задану форму деталі і плановане навантаження, і оптимізує структуру матеріалу відповідним чином.