突破逐层打印极限，可制造更强复合材料的机器人多向3D打印技术
时间：2025-11-28 11:08 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2025年11月27日，来自弗吉尼亚理工大学的研究人员突破了传统的平面层状直线打印技术，开发出可用于制造更强复合材料的机器人多向3D打印技术，使机器人能够从多个方向沉积复合材料。通过训练机械臂，制造具有自然流畅几何形状的材料，这些形状的灵感来源于树木、贝壳和骨骼。这种方法制造出的部件具有类似木材的纹理结构，能够更好地预测和吸收应力，使其强度比使用传统增材制造技术生产的部件高出近10倍。
项目得到了国家科学基金会未来制造研究基金（NSF FutureManufacturing Research Grant）三年350万美元的资助。这项拨款是美国国家科学基金会未来制造研究计划颁发的仅有的七项拨款之一，计划旨在支持旨在开发目前尚不存在的制造能力的各项举措。
△弗吉尼亚理工大学校园。图片由弗吉尼亚理工大学提供。
突破逐层打印的极限
早期的3D打印技术类似于热熔胶枪，通过铺设单一材料的线条，冷却后形成层叠结构。尽管这种技术目前仍占据主导地位，但机器人多向打印技术——结合先进的复合材料——正在解锁一些曾经被认为不可能实现的组件：柔性电子结构、更轻更强的飞机部件以及多功能机械系统。
弗吉尼亚理工大学先进制造中心（Made: The Center forAdvanced Manufacturing）主任克里斯托弗·威廉姆斯（ChristopherWilliams）表示：“近十年来，我们一直在探索如何利用机械臂来提升3D打印技术。我们发现，要真正发挥这些机械臂的灵活性来提高打印部件的强度，我们需要将我们在设计优化、先进材料、机器人控制和增材制造方面的集体知识结合起来。我们目前将这些知识融会贯通的初步成果令人振奋。”
技术背后的团队
核心团队由四名机械工程系教员组成：Pinar Acar，他的团队构建虚拟模型并使用机器学习来识别最佳的材料属性组合；Michael Bartlett，领导工程材料研究；Erik Komendera，一位前 NASA 工程师，将航空航天机器人专业知识应用于新的实验室创新；以及Christopher Williams，领导增材制造设计、研究和教育 (DREAMS) 实验室。
巴特利特说：“这个项目需要我们所有人的参与，因为任何单个研究人员都无法在材料、工艺、设计和机器人技术方面取得所需的进展。这项工作不能只由一个实验室完成，因为那样就缺乏推进项目所需的专业知识。”
△艾萨克·罗杰斯在弗吉尼亚理工大学增材制造系统设计、研究和教育（DREAMS）实验室里操作一个3D打印部件。图片来自弗吉尼亚理工大学。
构建未来劳动力
除了技术本身，项目还着重培养未来的工程师。工程教育系教授丽莎·麦克奈尔（LisaMcNair）正将这些新兴的制造方法融入学生的学习中——从幼儿园到高中阶段的拓展教育，到在整个工程学院构建“制造核心”。她的研究将评估这些创新如何塑造未来制造业劳动力的技能和素质。
受自然启发的增材制造
弗吉尼亚理工大学的这项研究是自然启发式3D打印这一更广泛趋势的一部分，工程师们从生物结构中汲取灵感，以制造更坚固、更轻便、更高效的组件。其他团队也在探索类似的策略。2022年，普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员受骨骼和木材的启发，开发出一种新型多孔结构。这种设计具有旋节线微结构——孔隙可以进行调节，从而微调部件的特性和性能。采用这种结构的部件通常比完全致密的部件更轻，同时还能提供可定制的刚度分布。该团队已经利用SLA 3D打印技术制作了面部植入物和轻型飞机发动机部件等应用的原型。
△骨骼、木材和角质中存在的各种毛孔。图片来自普林斯顿大学。
阿联酋的科学家们开发了一种一步式3D打印方法，利用双材料复合材料制造轻质蜂窝状螺旋壳芯结构。他们的研究成果发表在题为“具有周期性螺旋结构的自然启发式轻质蜂窝状共连续复合材料”的论文中，表明这种结构比同等强度的单一材料结构更坚固。研究团队还发现，通过调整螺旋结构的空间组成，可以控制力学性能，从而实现适用于不同工程应用的各种性能特征。
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