3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用探索

3D打印技術(shù)最初被用作生產(chǎn)原型零件的手段。材料擠壓成型技術(shù)（ME），是基于ASTM美國(guó)材料測(cè)試協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的添加制造技術(shù)之一。

熔融沉積成型（FDM）或熔絲制造（FFF）是一種應(yīng)用較為廣泛的材料擠壓成型技術(shù)。在該制作過程中，熱塑性的3D打印細(xì)絲被送入加熱的噴嘴，塑料被噴嘴處的高溫熔化。然后，熔化的塑料從噴嘴擠出，通過控制噴嘴的移動(dòng)來控制打印的形狀，通過融合擠出的絲來形成層，再經(jīng)層與層之間融合形成3D打印的樣品。為了保證樣品的精度，必須嚴(yán)格控制制作溫度，以便能夠在不過度加熱的情況下使相鄰的線和線進(jìn)行融合。過熱將導(dǎo)致材料的降解和失去幾何控制，最終導(dǎo)致打印模型的失敗。也正是由于這個(gè)原因，3D打印技術(shù)能加工的材料有限。

材料擠壓成型技術(shù)的純塑料打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，并且有大量的商業(yè)機(jī)器來進(jìn)行制作。然而，使用材料擠壓成型技術(shù)的復(fù)合材料的3D打印技術(shù)仍然是相對(duì)較新的研究領(lǐng)域。

有大量研究證明，為了改善打印的零件的機(jī)械性能或?qū)崿F(xiàn)一些特殊功能，可以向打印線材中添加不連續(xù)纖維和顆粒增強(qiáng)材料。雖然3D打印的短纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在性能上比純塑料有顯著改善，但機(jī)械性能遠(yuǎn)不如連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于纖維具有比基體高得多的比剛度和比強(qiáng)度，所以設(shè)計(jì)復(fù)合材料部件使得載荷主要由纖維承受和傳遞是非常有效的。為了促進(jìn)這一設(shè)計(jì)理念，保持纖維的連續(xù)性至關(guān)重要。因此，與短纖維復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印具有實(shí)現(xiàn)更高性能的潛力。

Christian等人（1998年）開發(fā)了一種將材料擠壓成型技術(shù)與熱塑性絲束鋪放相結(jié)合的工藝。此后，在這一領(lǐng)域研究人員進(jìn)行了大量研究，制備技術(shù)和工藝也在逐步完善。此前，復(fù)合材料3D打印技術(shù)的發(fā)展已由單純的塑料制作發(fā)展成為包含聚合物、金屬和陶瓷基復(fù)合材料的制作工藝。除了力學(xué)性能方面的改進(jìn)，其他功能方面也獲得了改進(jìn)，如光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等，這些都是通過添加增強(qiáng)物實(shí)現(xiàn)的。

近些年來，一些其他打印類型的3D打印機(jī)相繼問世，其中包含了更為先進(jìn)的光固化打印技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)等。這類的打印機(jī)的出現(xiàn)使得3D打印技術(shù)向著更加完善的方向邁進(jìn)，其打印的原理與材料擠壓成型技術(shù)有著本質(zhì)上的區(qū)別。通過激光高能量的特點(diǎn)使其在同一高度位置的樹脂材料迅速凝固，再進(jìn)一步通過層與層之間的粘連形成樣品，這與材料擠壓成型技術(shù)相比打印速度獲得了很大程度的提升，不過也對(duì)所能制作的材料提出了更高的要求。

仿生結(jié)構(gòu)與3D打印的創(chuàng)新應(yīng)用

受女王鳳凰螺殼的內(nèi)部微觀交叉疊層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，以非連續(xù)的短碳纖維作為增強(qiáng)相的尼龍作為基體的復(fù)合材料作為原材料，利用可編程的3D打印技術(shù)制備了具有不同層間夾角的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、理論分析以及有限元數(shù)值模擬分析得到了仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化機(jī)制，并由此提出基于該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，有望在航空航天、軍事國(guó)防領(lǐng)域得到應(yīng)用。

近年來，研究人員受天然生物結(jié)構(gòu)材料（如貝殼、螳螂蝦和鳥頭骨）的啟發(fā)，通過模仿這些生物材料的精細(xì)層次微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并獲得了一系列輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)材料，為高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了一條新的途徑。

自修復(fù)材料的探索與發(fā)展

但是當(dāng)這種具備高強(qiáng)高韌的輕量化結(jié)構(gòu)材料超過其載荷極限時(shí)，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生損傷，進(jìn)而發(fā)生災(zāi)難性破壞，導(dǎo)致材料的失效。自修復(fù)材料的設(shè)想可以追溯到二十世紀(jì)六十年代，然而受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，導(dǎo)致自修復(fù)材料的突破與進(jìn)展在進(jìn)入21世紀(jì)才得以凸顯。

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