创新技术 科学家重构3D打印材料内部几何结构

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迪拜这个货真价实“富得流油”的国家他的钱可不单单是砸在了沙漠里造个现代都市，他们也很重视教育的投入。沙特国王科技大学，名字就充满贵气，而当我们在仔细了解这所大学之后，可能已经哭晕在了厕所。当你还在为寝室没有空调而苦恼时，人家学生住的是三人间的独立别墅!并且，这个学校学费全免，每月还补助3000块!

除了教育之外，科研的投入也是花花花的把银子扫出去啊，看看该校按职称提供的科研经费：助理教授：40万美元/年；副教授：60万美元/年；正教授：80万美元/年。这个学校只是迪拜对于整个教育和科研的缩影。只有投入才会有产出。

日前，来自阿布扎比Masdar科学技术研究院的研究人员刚提交了一份引人注目的3D打印专利申请。申请对象为一种3D打印超强轻量级“结构式泡沫”构造的新方法。“结构式泡沫”构造可以使用包括塑料和合成材料在内的各种材料。

“结构式泡沫”构造可以使用包括塑料和合成材料在内的各种材料

由于其独特的蜂窝结构，这些3D打印构造可能会在航空航天、医疗和汽车工业领域被用来制造机器。它们甚至可以通过编程来实现良好的热、电或机械性能，这为其更加广泛的应用奠定了基础。

该研究院器械与材料工程副教授Rashid AbuAl-Rub教授解释道，他们的泡沫构造的关键点在于其内部的3D打印几何结构，或又被称为内部结构。类似于为埃菲尔铁塔提供支撑力量和平衡的格子状钢横梁和支柱，这些蜂窝结构通过90%是由空气构成的内部几何结构实现力量支撑。

“我们并没有创造新材料，相反，我们只是在重新构建已有材料，比如钢和塑料。通过改变材料的内部几何结构，我们可以实现想要的特性，如硬度、导电性、多孔性等。”Abu Al-Rub教授说。他们已经使用电脑模型生成了成千上万种不同的泡沫构造，而每种都有独特的几何特性。

甚至泡沫构造的多孔性也能通过电脑模型实现，而这将成为控制气体和液体流量分配的完美选择。研究人员认为它也能被用于石油和天然气操控、海水淡化和废水处理等。

“泡沫构造可以被用来最大限度的提高气体流量，提高催化式排气净化器的转化效率从而减少汽车发动机产生的温室气体的排放。”Oraib Al-Ketan教授补充道。

当然，用泡沫构造的建筑本身就特别复杂，因此使建造也变得十分困难。3D打印已经在改变几何公约，而泡沫3D打印技术让3D打印在这方面走得更远。从纳米尺度、比人类头发细一万倍的精度到宏观尺度(用毫米测量)的任何地方，3D打印让一切皆有可能实现。

“关于如何设计材料，我们已经形成了一个模式。目前，人们根据材料的现有化学构成、结构和相应特性来设计材料。而我们则首先关注你在产品应用中所需要的材料特性，然后应用我们的专属设计方法来优化材料结构和它的内部几何结构，从而得到你所需要的特性。”AbuAl-Rub教授说道。

该团队认为他们的3D打印构造可以让任何依赖于超强轻量级传导材料的工业效率更高，如能源、水和石油天然气工业。

三菱公司正在研发五轴增材制造技术

三菱电机研究实验室(MERL)正在使用5轴增材制造技术——即5D打印来制造强度要比常规3D打印强3至5倍的部件。

所谓的五轴增材制造，即在3D打印头运动的X/Y/Z3个轴之外又增加了两个轴来控制打印床的运动，也就是打印床可以来回倾斜，从而把总轴数增加到了5个。另外，这些5轴3D打印机运行方式也与我们常见的3D打印机不同，不再整齐地将一层层材料平整地堆叠起来。

MERL高级首席研究科学家William Yerazunis最近做了一个实验来展示5轴增材制造的好处在哪里。这位三菱的专家首先使用标准的3D打印机(只有三个轴)打印出了一个小型塑料压力盖。由于其均匀的分层结构，这个3D打印的盖子明显弱于注塑制品。这个盖子的所有层都是平的，压力很容易沿着薄弱的层间结合处将盖子扯开。

然而，Yerazunis仍然使用同样的3D打印机和材料就有效地提高了3D打印部件的强度。其秘密在于采用五轴增材制造的改变了每层的沉积方法。为了证明这一点，Yerazunis和他的研究团队接着使用他们的“5D打印”方法使用相同的CAD模型，制造了相同的压力盖，却获得了更强的结构。

“如果我们考虑到来自内部的力量，并将沉积的每层材料从平面改成沿着压力盖最大应力线的曲面，我们就可以将它强度提高到3到5倍，而且使用的材料也减少了25%。”Yerazunis说。

不出所料，5D打印的压力盖要比3D打印同样形状的压力盖要好的多：3D打印压力盖能够抵抗大约0.1MPa的压力，而5轴增材制造的压力盖则能够承受3.7MPa的压力。这就大幅增加了强度，同时减少了材料的使用。

“不过5D打印确实需要进行大量的分析，而且它需要知道打印部件的用途。”Yerazunis说。“但当你可以用它将一个部件的强度增加五倍的话，为此做出一些改变还是值得的。”

3D打印材料是很大的市场，近年来,随着3D打印概念及应用的逐步普及，3D打印材料也面临着大幅度的市场需求。一份调研报告显示，过去一年，全球3D打印市场为8亿美元，预计2025年，全球3D打印市场将达到80亿美元。

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