創新技術 科學家重構3D打印材料內部幾何結構

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迪拜這個貨真價實“富得流油”的國家他的錢可不單單是砸在了沙漠里造個現代都市，他們也很重視教育的投入。沙特國王科技大學，名字就充滿貴氣，而當我們在仔細了解這所大學之后，可能已經哭暈在了廁所。當你還在為寢室沒有空調而苦惱時，人家學生住的是三人間的獨立別墅!并且，這個學校學費全免，每月還補助3000塊!

除了教育之外，科研的投入也是花花花的把銀子掃出去啊，看看該校按職稱提供的科研經費：助理教授：40萬美元/年；副教授：60萬美元/年；正教授：80萬美元/年。這個學校只是迪拜對于整個教育和科研的縮影。只有投入才會有產出。

日前，來自阿布扎比Masdar科學技術研究院的研究人員剛提交了一份引人注目的3D打印專利申請。申請對象為一種3D打印超強輕量級“結構式泡沫”構造的新方法。“結構式泡沫”構造可以使用包括塑料和合成材料在內的各種材料。

“結構式泡沫”構造可以使用包括塑料和合成材料在內的各種材料

由于其獨特的蜂窩結構，這些3D打印構造可能會在航空航天、醫療和汽車工業領域被用來制造機器。它們甚至可以通過編程來實現良好的熱、電或機械性能，這為其更加廣泛的應用奠定了基礎。

該研究院器械與材料工程副教授Rashid AbuAl-Rub教授解釋道，他們的泡沫構造的關鍵點在于其內部的3D打印幾何結構，或又被稱為內部結構。類似于為埃菲爾鐵塔提供支撐力量和平衡的格子狀鋼橫梁和支柱，這些蜂窩結構通過90%是由空氣構成的內部幾何結構實現力量支撐。

“我們并沒有創造新材料，相反，我們只是在重新構建已有材料，比如鋼和塑料。通過改變材料的內部幾何結構，我們可以實現想要的特性，如硬度、導電性、多孔性等。”Abu Al-Rub教授說。他們已經使用電腦模型生成了成千上萬種不同的泡沫構造，而每種都有獨特的幾何特性。

甚至泡沫構造的多孔性也能通過電腦模型實現，而這將成為控制氣體和液體流量分配的完美選擇。研究人員認為它也能被用于石油和天然氣操控、海水淡化和廢水處理等。

“泡沫構造可以被用來最大限度的提高氣體流量，提高催化式排氣凈化器的轉化效率從而減少汽車發動機產生的溫室氣體的排放。”Oraib Al-Ketan教授補充道。

當然，用泡沫構造的建筑本身就特別復雜，因此使建造也變得十分困難。3D打印已經在改變幾何公約，而泡沫3D打印技術讓3D打印在這方面走得更遠。從納米尺度、比人類頭發細一萬倍的精度到宏觀尺度(用毫米測量)的任何地方，3D打印讓一切皆有可能實現。

“關于如何設計材料，我們已經形成了一個模式。目前，人們根據材料的現有化學構成、結構和相應特性來設計材料。而我們則首先關注你在產品應用中所需要的材料特性，然后應用我們的專屬設計方法來優化材料結構和它的內部幾何結構，從而得到你所需要的特性。”AbuAl-Rub教授說道。

該團隊認為他們的3D打印構造可以讓任何依賴于超強輕量級傳導材料的工業效率更高，如能源、水和石油天然氣工業。

三菱公司正在研發五軸增材制造技術

三菱電機研究實驗室(MERL)正在使用5軸增材制造技術——即5D打印來制造強度要比常規3D打印強3至5倍的部件。

所謂的五軸增材制造，即在3D打印頭運動的X/Y/Z3個軸之外又增加了兩個軸來控制打印床的運動，也就是打印床可以來回傾斜，從而把總軸數增加到了5個。另外，這些5軸3D打印機運行方式也與我們常見的3D打印機不同，不再整齊地將一層層材料平整地堆疊起來。

MERL高級首席研究科學家William Yerazunis最近做了一個實驗來展示5軸增材制造的好處在哪里。這位三菱的專家首先使用標準的3D打印機(只有三個軸)打印出了一個小型塑料壓力蓋。由于其均勻的分層結構，這個3D打印的蓋子明顯弱于注塑制品。這個蓋子的所有層都是平的，壓力很容易沿著薄弱的層間結合處將蓋子扯開。

然而，Yerazunis仍然使用同樣的3D打印機和材料就有效地提高了3D打印部件的強度。其秘密在于采用五軸增材制造的改變了每層的沉積方法。為了證明這一點，Yerazunis和他的研究團隊接著使用他們的“5D打印”方法使用相同的CAD模型，制造了相同的壓力蓋，卻獲得了更強的結構。

“如果我們考慮到來自內部的力量，并將沉積的每層材料從平面改成沿著壓力蓋最大應力線的曲面，我們就可以將它強度提高到3到5倍，而且使用的材料也減少了25%。”Yerazunis說。

不出所料，5D打印的壓力蓋要比3D打印同樣形狀的壓力蓋要好的多：3D打印壓力蓋能夠抵抗大約0.1MPa的壓力，而5軸增材制造的壓力蓋則能夠承受3.7MPa的壓力。這就大幅增加了強度，同時減少了材料的使用。

“不過5D打印確實需要進行大量的分析，而且它需要知道打印部件的用途。”Yerazunis說。“但當你可以用它將一個部件的強度增加五倍的話，為此做出一些改變還是值得的。”

3D打印材料是很大的市場，近年來,隨著3D打印概念及應用的逐步普及，3D打印材料也面臨著大幅度的市場需求。一份調研報告顯示，過去一年，全球3D打印市場為8億美元，預計2025年，全球3D打印市場將達到80億美元。

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