大自然生产出精致的复合材料 - 例如木材，骨头，牙齿和外壳 - 将轻质和密度与理想的机械性能(如刚度，强度和损伤容限)相结合。
由于古代文明首先将稻草和泥浆结合在一起形成砖块，人们已经制造出性能和复杂性不断提高的工程复合材料。但是，再现自然界中出色的机械性能和复杂的微观结构一直是一项挑战。
现在，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员展示了一种新颖的3D打印方法，可以对嵌入聚合物基质中的短纤维排列产生前所未有的控制。他们使用这种增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料中的纤维取向进行编程，从而能够创建针对强度，刚度和损伤容限进行优化的结构材料。
他们的方法，称为“旋转3D打印”，可以具有广泛的应用范围。考虑到其墨水设计的模块化特性，可以实现许多不同的填充物和基质组合以定制印刷物体的电学，光学或热学性质。
“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一项巨大的挑战，”该研究的资深作者Jennifer A. Lewis，哈佛SEAS生物启发工程的Hansjorg Wyss教授说。“我们现在可以采用分层方式对材料进行图案化，类似于自然构建的方式。” 刘易斯还是哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员。
这项工作在PNAS期刊中有所描述，是在哈佛大学的刘易斯实验室进行的。合作者包括当时的博士后研究员Brett Compton(现为田纳西大学机械工程助理教授，诺克斯维尔)和Jordan Raney(现为宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学助理教授); 并访问苏黎世联邦理工学院Kristina Shea教授实验室的博士生Jochen Mueller。
他们的方法的关键是精确编排3D打印机喷嘴的速度和旋转，以编程聚合物基质中嵌入纤维的排列。这是通过为旋转打印头系统配备步进电机来实现的，以在墨水被挤出时引导旋转喷嘴的角速度。
“旋转3D打印可用于在印刷部件的每个位置实现最佳或接近最佳的纤维排列，从而以更少的材料获得更高的强度和刚度，”康普顿说。“我们不是使用磁场或电场来定向纤维，而是控制粘性油墨本身的流动，以赋予所需的纤维取向。”
康普顿指出，该团队的喷嘴概念可用于任何材料挤出印刷方法，从熔丝制造到直接油墨书写，到大规模热塑性添加剂制造，以及任何填充材料，从碳纤维和玻璃纤维到金属或陶瓷胡须和血小板。
该技术允许工程材料的3D打印，其可以在空间上编程以实现特定的性能目标。例如，可以局部地优化纤维的取向，以增加在加载期间将经受最高应力的位置处的损伤容限，从而硬化潜在的失效点。
“这项工作的一个令人兴奋的事情是，它提供了一种新的途径来生产复杂的微观结构，并可控制地改变不同地区的微观结构，”Raney说。“对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制，这极大地扩展了可用于进一步优化属性的设计空间。”
“生物复合材料通常具有显着的机械性能：高刚度和每单位重量的强度和高韧性。设计工程材料的一个突出挑战是受生物复合材料的启发，控制纤维取向在小长度尺度和局部水平，”麻省理工学院材料科学与工程教授Lorna J. Gibson说，他没有参与这项研究。“来自路易斯集团的这篇引人注目的论文展示了一种做到这一点的方法。这代表了生物复合材料设计的巨大飞跃。”