本申請依據(jù)35§119(e)要求于2014年6月6日提交的題為“用磁場在增材制造工藝中生產(chǎn)不連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)的方法”的美國臨時申請?zhí)?2/008,914的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容通過引用并入本文。

關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明

N/A

背景技術(shù)：

增材制造(有時稱為3D打印)用于由各種材料例如聚合物、金屬和陶瓷制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其分辨率低至幾十微米的水平。已經(jīng)通過這些技術(shù)生產(chǎn)從齒輪到噴射發(fā)動機的功能燃油噴嘴的承重機械結(jié)構(gòu)。

聚合物的打印主要通過用于熱塑性塑料的基于擠出的直寫方法和用于熱塑性塑料和熱固性塑料的基于立體光刻(SLA)的光聚合方法來實現(xiàn)。打印的聚合物重量輕但相對較弱。因此，3D打印現(xiàn)在正朝著制造纖維增強聚合物復(fù)合材料的方向發(fā)展。已開發(fā)工業(yè)自動化纖維鋪放(AFP)打印機，可打印連續(xù)股碳纖維、Kevlar和玻璃纖維增強的聚合物。這些自動鋪放打印機僅限于長度尺度大于毫米且?guī)缀纬叽绱笥诶迕椎牟⑶胰∠蚩刂葡抻赬-Y平面的增強纖維。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種增材制造技術(shù)，其采用實時膠體組件以制造高度可編程的不連續(xù)增強結(jié)構(gòu)，其中纖維的取向可以精確地控制。

本發(fā)明的一個方面是一種制造復(fù)合材料部件的方法，其包括：

(a)在與平臺板相鄰的第一層中引入前體材料，所述前體材料包括基體材料和磁響應(yīng)顆粒，所述磁響應(yīng)顆粒至少部分包含磁性材料；

(b)用第一磁場使所述磁性響應(yīng)顆粒取向成第一排列(alignment)；

(c)用保持在第一排列中的第一部分內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒加固第一層中的第一部分基體材料；

(d)用另一磁場將另一部分磁響應(yīng)顆粒取向到不同于所述第一排列的另一排列中；以及

(e)用保持在所述另一排列中的另一部分內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒加固第一層中的另一部分基體材料。

在所述方法的另一方面，重復(fù)步驟(d)和(e)直至在第一層中確定部分的基體材料已經(jīng)被加固。

在所述方法的另一方面，在步驟(c)和(e)中，基體材料為部分固化的、完全固化的、硬化的、聚合的或交聯(lián)的。

在所述方法的另一方面，當(dāng)?shù)谝粚又谢w材料的想要部分已經(jīng)被加固，將第一層從平臺板移除并且在鄰近平臺板的第二層，鄰近第一層引入另外的前體材料。

在另一方面，所述方法還包括：

(g)在與第一層相鄰的第二層中引入另外的前體材料，

(h)用磁場將第二層中的顆粒以第三排列取向；

(i)用保持在第三排列中的第一部分內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒加固第二層中的第一部分基體材料；

(j)用磁場將另一部分磁響應(yīng)顆粒以不同于第三排列的第四排列取向；

(k)用保持在第四排列中的第二部分磁響應(yīng)顆粒加固第二層中的第二部分基體材料以加固基體材料；

(l)重復(fù)步驟(j)和(k)，直至在第二層中想要部分的基體材料已經(jīng)被加固。

在所述方法的又一方面，所述第一磁場和其它磁場通過平行于所述第一層的平面的一個或多個磁場源，和在第一層的平面外的一個或多個磁場源施加。

在所述方法的又一方面，基體材料的第一部分和基體材料的另一部分均包含離散體素。

在所述方法的其它方面，第一部分的體素與另一部分的體素間隔。

在所述方法的其它方面，每個體素具有至少約50x 50x 50微米的分辨率。

在所述方法的另一方面，每層具有至少約50微米的厚度。

在所述方法的另一方面，所述磁性材料包括鐵磁材料、順磁材料、超順磁材料、氧化鐵、鐵、鈷、鎳、鐵合金、鈷合金或鎳合金。

在所述方法的其它方面，所述磁性材料包括顆粒、微珠、納米顆粒、銼屑、纖維、薄片、棒、晶須或晶板。

在所述方法的其它方面，所述磁響應(yīng)顆粒包括與磁性材料偶合的非磁性材料。

在所述方法的其它方面，所述非磁性材料包括氧化鋁、磷酸鈣、銅、玻璃、硫酸鈣、尼龍、聚苯乙烯或碳化硅。

在所述方法的其它方面，所述非磁性材料包括不連續(xù)纖維、棒、晶板、薄片或晶須。

在所述方法的其它方面，所述非磁性材料用所述磁性材料涂布。

在所述方法的其它方面，所述磁性響應(yīng)顆粒在形狀上在至少一個維度上是各向異性的。

在所述方法的其它方面，所述磁響應(yīng)顆粒具有200nm-1000μm的最長尺寸。

在所述方法的其它方面，所述磁響應(yīng)顆粒具有1μm-20μm的最長尺寸。

在所述方法的其它方面，所述磁響應(yīng)顆粒具有2-200的長徑比。

在所述方法的另一方面，所述基體材料包括光聚合物，并且在步驟(c)和步驟(e)中，用具有為實現(xiàn)光聚合物的固化而選擇的波長的輻射照射基體材料的選定體素，由此固化基體材料。

在所述方法的其它方面，輻射源的波長是300nm-900nm。

在所述方法的其它方面，輻射源是從紫外到紅外的范圍。

在所述方法的其它方面，基體材料包括可光固化的丙烯酸材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、或聚氨酯材料。

在所述方法的其它方面，前體材料的基體材料在加固之前的粘度是0.7mPa·s-10Pa·s。

在所述方法的其它方面，前體材料包含丙烯酸基光聚合物和用氧化鐵納米顆粒標記的增強氧化鋁微晶板顆粒。

本發(fā)明的另一方面是復(fù)合部件，其包含包埋在基體材料中的磁響應(yīng)顆粒，大量的所述磁響應(yīng)顆粒在基體材料中單層內(nèi)具有不同取向，所述部件具有的機械性能、熱性能、電性能和電磁性能和光學(xué)性能中的至少一種是各向異性的。

在所述復(fù)合部件的另一方面，所述性能包括拉伸強度、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、不透明度或顏色中的至少一種。

在所述復(fù)合部件的其它方面，所述部件包括微型飛行器、導(dǎo)管、生物相容性植入物、假體裝置、矯形裝置、航空部件、嵌入式電子部件、頭盔、頭戴受話器、用于身體部位的鑄件、機械硬件或圍繞開口的增強件。

本發(fā)明的又一方面是電腦可讀的媒介儲存指令，當(dāng)通過增材制造設(shè)備的至少一個處理器單元執(zhí)行時，其使得增材制造設(shè)備產(chǎn)生包含復(fù)合部件的三維物件，所述復(fù)合部件包含包埋在基體材料中的磁響應(yīng)顆粒，大量的所述磁相應(yīng)顆粒在基體材料中單層內(nèi)具有不同取向，所述部件具有的機械性能、熱性能、電性能和電磁性能和光學(xué)性能中的至少一種是各向異性的。

本發(fā)明的又一方面是制備復(fù)合部件的設(shè)備，其包括：

與前體材料源相連的平臺板，所述前體材料包含基體材料和磁響應(yīng)顆粒，所述磁響應(yīng)顆粒至少部分包含磁性材料；

輻射源，其設(shè)置為在離散體素中施加輻射到設(shè)置在平臺板上的前體材料層上；

多個磁場源，其設(shè)置為向平臺板上的前體材料層施加多個取向的磁場，且

處理器單元，其與平臺板、輻射源和多個磁場源控制通信。

在所述設(shè)備的另一方面，設(shè)置多個磁場源以施加在平行于平臺板的平面上具有磁力線分量以及在正交于平臺板的平面上具有磁力線分量的磁場。

在所述設(shè)備的又一方面，所述多個磁場源包括至少兩個磁場源設(shè)置為施加平行于平臺板的平面的取向的磁場和至少一個磁場源設(shè)置為施加在平臺板的平面外的取向的磁場。

在所述設(shè)備的又一方面，多個磁場源還包括至少兩個其它磁場源設(shè)置為施加平行于平臺板平面的取向的磁場。

在所述設(shè)備的又一方面，取向平行于平臺板平面的所述至少兩個磁場源相互垂直設(shè)置。

在所述設(shè)備的另一方面，多個磁場源的至少一部分被支撐以沿平臺板的平面運動。

在所述設(shè)備的另一方面，多個磁場源的至少一部分被支撐以沿平行于平臺板平面的平面運動。

在所述設(shè)備的另一方面，每個磁場源包括螺線管或電磁體。

在所述設(shè)備的另一方面，在平行于平臺板平面的平面中的每個磁場源包括螺線管，所述螺線管包括圍繞鐵芯的線圈。

在所述設(shè)備的另一方面，在垂直于平臺板平面的平面中的磁場源中的至少一個包括螺線管，所述螺線管包括圍繞開放芯區(qū)域的線圈。

在所述設(shè)備的另一方面，輻射源被設(shè)置以直接輻射穿過開放芯區(qū)域至平臺板。

在所述設(shè)備的另一方面，輻射源的波長是300nm-900nm。

在所述設(shè)備的另一方面，輻射源的范圍是從紫外到紅外。

在所述設(shè)備的另一方面，輻射源被操作以直接輻射到選定的離散體素。

在所述設(shè)備的另一方面，輻射源包括數(shù)字光投影儀。

在所述設(shè)備的另一方面，平臺板被安裝用于相對于前體材料源垂直移動。

在所述設(shè)備的另一方面，容器包括前體材料源，并且平臺板被安裝用于在上述容器內(nèi)垂直移動并從上進入容器內(nèi)。

在所述設(shè)備的另一方面，容器包括前體材料源，并且磁場源的至少一部分被設(shè)置為環(huán)繞容器周圍。

在所述設(shè)備的另一方面，容器包括前體材料源，并且至少一個磁場源被垂直設(shè)置于容器下方。

在所述設(shè)備的另一方面，磁場源包括螺線管，所述螺線管包括圍繞開放芯區(qū)域的線圈，并且輻射源被設(shè)置在螺線管下方，以輻射穿過開放芯區(qū)域到相鄰于平臺板的容器中的前體材料層。

在所述設(shè)備的另一方面，所述處理器包括以下指令：

(a)在鄰近所述平臺板的第一層中從所述前體材料源引入前體材料；

(b)驅(qū)動所述多個磁場源中的一個或多個，以向第一層施加第一磁場，用所述第一磁場使磁響應(yīng)顆粒取向為第一排列；

(c)驅(qū)動所述輻射源，以用保持在第一排列中的第一部分內(nèi)的磁響應(yīng)材料加固第一層中的第一部分基體材料；

(d)驅(qū)動所述多個磁場源中的一個或多個，以施加另外的磁場，用另外的磁場將所述磁響應(yīng)顆粒的另一部分取向為不同于第一排列的另一排列；以及

(e)驅(qū)動輻射源，以用保持在所述另一排列中的另一部分內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒加固第一層中的另一部分基體材料。

附圖說明

以下結(jié)合附圖以詳細的描述更加充分地理解本發(fā)明，其中：

圖1是增材制造方法的一個實施方案的示意流程圖；

圖2是用于增材制造的設(shè)備的一個實施方案的等距視圖；

圖3是圖2所示設(shè)備的等距視圖，其中為了使圖像更清晰而移除輻射源；

圖4是圖2的磁場系統(tǒng)和線性運動系統(tǒng)的等距視圖；

圖5是圖2的磁場系統(tǒng)的等距視圖；

圖6是線性運動系統(tǒng)的等距視圖；

圖7是平臺板、前體源和圖2的線性運動系統(tǒng)的前視圖；

圖8是圖2的輻射源的數(shù)字光處理器的實施方案的分解示意圖；

圖9是用于圖2的設(shè)備的處理器單元的示意性框圖；

圖10是表示表面磁化晶板的超高磁響應(yīng)的曲線圖；

圖11是表示表面磁化棒的超高磁響應(yīng)的曲線圖。

圖12A是表示磁場中粒子的行為的示意圖；

圖12B是表示經(jīng)受磁場的流體中粒子的粘性阻力的曲線圖；

圖13A是使用立體光刻法提供磁響應(yīng)晶板的垂直排列的實驗設(shè)備的照片；

圖13B是使用立體光刻法提供磁響應(yīng)晶板的水平排列的實驗設(shè)備的照片。

圖13C是表示圖13A的晶板的垂直的平面外排列的示意圖；

圖13D是表示圖13B的晶板的水平的平面內(nèi)排列的示意圖；

圖13E是來自圖13A所示實驗設(shè)備的樣品的顯微照片；

圖13F是來自圖13B所示實驗設(shè)備的樣品的顯微照片；

圖14A是表示類似于圖13A的實驗設(shè)備的磁響應(yīng)棒的垂直的平面外排列的示意圖；

圖14B是表示類似于圖13B的實驗設(shè)備的磁響應(yīng)棒的水平的平面內(nèi)排列的示意圖；

圖14C是來自圖14A的實驗樣品的顯微照片；

圖14D是來自圖14B的實驗樣品的顯微照片；

圖15A是使用微噴嘴打印法提供磁響應(yīng)晶板的垂直排列的實驗設(shè)備的照片；

圖15B是來自圖15A所示實驗設(shè)備的樣品的照片；

圖15C是表示圖15A的晶板的垂直的平面外排列的示意圖；

圖15D是表示晶板的水平的平面內(nèi)排列的示意圖；

圖15E是來自圖15C所示實驗設(shè)備的樣品的顯微照片；

圖15F是來自圖15D所示實驗設(shè)備的樣品的顯微照片；

圖16A是展示根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方案形成的兩個離散的氧化鋁晶板取向的棋盤圖；

圖16B和C是在平面外排列(B)和平面內(nèi)排列(C)之間的界面處的棋盤格顯微照片(10倍放大)；

圖16D是描繪圖16B所示的平面外排列的示意圖；

圖16E是描繪圖16C所示的平面內(nèi)排列的示意圖；

圖17A是根據(jù)本發(fā)明方法的實施方案形成的含有10體積％磁響應(yīng)晶板的三維模塊(block)的照片；

圖17B是描繪圖17A所示的部件中晶板的取向的示意圖；

圖17C是圖17A所示的部件在界面處的掃描電子顯微鏡圖像；

圖17D是圖17A所示的部件在界面處的掃描電子顯微鏡圖像；

圖17E是圖17A所示的部件的一個取向的掃描電子顯微鏡圖像；

圖17F是圖17A所示的塊部件的一個取向的掃描電子顯微鏡圖像；

圖18是用于拉伸試驗的根據(jù)的本發(fā)明方法的實施方案形成的具有10％氧化鋁顆粒的犬骨狀照片；

圖19是具有標準偏差的條形圖，其比較了通過本發(fā)明方法的實施方案和通過流延成型方法制備的犬骨狀試樣的楊氏模量；

圖20是具有標準偏差的條形圖，其比較了通過流延成型方法制造的具有不同的晶板取向的犬骨狀試樣的楊氏模量；

圖21是棋盤、自由女神像圖像和線性帶的圖像，其展示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案制作的不同的顆粒取向提供的不同的光學(xué)性質(zhì)；

圖22A是單個體素的示意圖；

圖22B是由本發(fā)明方法的實施方案形成的單塊復(fù)合材料的楊氏模量和斷裂應(yīng)變的圖；

圖22C是由本發(fā)明方法的實施方案形成的三維結(jié)構(gòu)的表面的二維硬度繪圖；

圖22D是圍繞圓形缺陷具有可編程增強結(jié)構(gòu)的樣品的圖示；

圖22E是沿圖22D的樣品的兩個軸的拉伸強度圖；

圖23A示出在具有以不同角度取向增強的三維單塊犬骨在不同拉伸載荷下的機械失效機制，其中，對于頂部行和底部行，比例尺分別為500μm和25μm；

圖23B示出與取向增強的整塊膜匹配和對比的島相結(jié)構(gòu)，其中比例尺為500μm；

圖24示出不同顆粒取向的和沒有顆粒的楊氏模量；

圖25A和B顯示了對具有不同顆粒取向的犬骨狀試樣進行的拉伸試驗中的失效模式；

圖26示出對在中心具有同心加強孔的犬骨狀試樣進行的拉伸試驗中的失效模式；

圖27示出樣品的硬度分布圖；并且

圖28A-D示出在不同顆粒取向情況下控制斷裂的能力。

具體實施方式

本申請通過引用并入在2014年6月6日申請的題為“用磁場在增材制造工藝中生產(chǎn)不連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)的方法”的美國臨時申請?zhí)?2/008,914的全部公開內(nèi)容。

不連續(xù)纖維復(fù)合材料代表一類堅固、重量輕且具有優(yōu)異斷裂韌性的材料。使增材制造技術(shù)適應(yīng)不連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的挑戰(zhàn)是在打印過程中控制纖維取向的能力。用施加的應(yīng)力取向的纖維增強了周圍的基體，而正交纖維作為缺陷，削弱了聚合物基體。隨機分布的纖維(無控制的體系的標準)在這兩個極端之間的區(qū)域中發(fā)揮作用，導(dǎo)致可忽略的對復(fù)合材料強度的影響，同時嚴重損害其延展性。

本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)復(fù)合部件，例如增強復(fù)合部件的方法和設(shè)備，其能夠在制造期間通過結(jié)合磁性組件和增材制造來控制部件的每層內(nèi)的纖維或其它顆粒取向，以制造具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)顆粒取向的復(fù)合材料。所述方法和設(shè)備在逐層制造工藝過程中采用定向膠體組裝以提供對復(fù)合材料內(nèi)的增強顆?；蚱渌w粒取向進行完全的可編程的控制。例如，利用該方法和設(shè)備，可以生產(chǎn)增強結(jié)構(gòu)使得復(fù)合材料能夠呈現(xiàn)增強的機械性能，例如，但不限于，更大的剛度、增加的強度、在微米數(shù)量級上的硬相和軟相、和更高的斷裂能性能、以及多功能性能。除了增強的機械性能之外，可以生產(chǎn)具有其它增強性能，例如熱、電和光學(xué)性能的復(fù)合部件。該方法堅固、低成本、可擴展、可持續(xù)，并且可以實現(xiàn)一類新的具有可編程屬性的堅固、輕質(zhì)的復(fù)合部件。

采用本文所述的方法和設(shè)備，復(fù)合部件由前體材料形成，所述前體材料包括分散在前體液體形式的基體材料內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒。每個磁響應(yīng)顆粒的至少一部分包括磁性材料。例如，所述顆?？梢杂捎么判灶w粒標記的非磁性材料形成或者可以完全由磁性材料形成。磁響應(yīng)顆?？梢跃哂腥魏纹谕男螤罨驑?gòu)造以賦予成品復(fù)合部件預(yù)期的性能。實例包括但不限于不連續(xù)纖維、棒、晶板、薄片、晶須和晶板。

基體材料能夠例如通過暴露于紫外線輻射下的聚合而被加固?；w材料的加固足以在過程期間或通過設(shè)備在具有不同取向的后加磁場的存在下在基體材料的加固部分中將磁響應(yīng)顆粒保持在期望的取向。加固可包括但不僅限于固化、部分固化、完全固化、聚合和交聯(lián)。

將前體材料加入增材制造設(shè)備中。所述增材制造設(shè)備可以包括處理器單元，所述處理器單元包括用于逐層地生產(chǎn)復(fù)合部件的指令和數(shù)據(jù)文件。所述數(shù)據(jù)文件可以是指定要生產(chǎn)部件構(gòu)造的計算機輔助設(shè)計文件(例如，.stl)。數(shù)據(jù)文件包括部件的每層內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒的期望取向。在每層內(nèi)，顆粒可以具有不同的取向。數(shù)據(jù)文件包括定義具有類似的粒子取向的每層的每部分的數(shù)據(jù)。例如，每層由體素(體積像素)陣列定義，并且每部分由來自體素陣列的體素子集定義。每部分可以是單個連續(xù)區(qū)域，或者可以是多個離散區(qū)域。體素分辨率可以為至少約50×50×50微米。

在一個實施方案中，如圖1所示，在步驟1中，將前體材料10引入到增材制造設(shè)備中，例如，與平臺板16相鄰的第一層14中，所述前體材料10在基體材料20中具有磁響應(yīng)顆粒12。在步驟2中，將第一磁場18施加到前體材料以使磁響應(yīng)顆粒12取向為第一排列。施加磁場的持續(xù)時間可以取決于許多因素例如施加的磁場的強度、施加的磁場的旋轉(zhuǎn)頻率、前體材料的粘度、包括在磁響應(yīng)顆粒中的磁性材料的量，以及磁響應(yīng)顆粒的幾何形狀。在一些實施方案中，持續(xù)時間可以為1秒-5分鐘。在一些實施方案中，磁場強度可以為50奧斯特-1000奧斯特。在步驟3中，隨后加固第一層14內(nèi)的基體材料的第一部分22即活性體素，同時保持磁場，使得在該第一部分內(nèi)的磁響應(yīng)顆粒12'的取向變得固定。加固可以通過例如用合適波長的輻射例如紫外線輻射24使基體材料中的活性體素聚合來實現(xiàn)。加固步驟的持續(xù)時間可以取決于許多因素例如所選擇的特定基體材料以及材料是待部分固化還是全部固化。在一些實施方案中，持續(xù)時間可以為2秒-20秒。

然后，在步驟4中，將第二磁場26施加到第一層14中的前體材料10，以使剩余的、仍然可移動的顆粒12”取向為第二排列。第一部分中的增強顆粒12'在施加第二磁場時不會移動出排列，因為它們通過嵌有其的基體材料的加固而固定在適當(dāng)位置。第步驟5中，在第一層14中第二部分28中的基體材料，現(xiàn)在形成活性體素，隨后被加固，從而固定第二部分中的顆粒的取向。例如使用UV輻射32施加磁場以使任何剩余的增強顆粒取向，隨后加固在所選部分中的基體材料中的活性體素的這些步驟可以重復(fù)任何合適次數(shù)以實現(xiàn)層內(nèi)顆粒任何期望的取向。一旦第一層14中所選部分被全部加固，在步驟6中，將第一層例如，在剝離過程中垂直移動，使得額外的前體材料34可以流入平臺板和第一層14之間的鄰近平臺板16的位置。(要認識到的是整個層可以不被加固，取決于要生產(chǎn)的部件的幾何形狀。)

施加磁場以使磁響應(yīng)顆粒取向，然后加固選定部分中的基體材料的步驟可以重復(fù)任何合適次數(shù)以實現(xiàn)第二層內(nèi)磁響應(yīng)顆粒的任何期望的取向。一旦第二層中選定的部分已經(jīng)被完全加固，第三層和任何后續(xù)層可以通過重復(fù)上述步驟以相同的方式構(gòu)造。以這種方式，復(fù)合部件可以逐層地構(gòu)建具有任何期望復(fù)雜取向的顆粒和幾何形狀。

用于根據(jù)該方法生產(chǎn)復(fù)合部件的設(shè)備100的一個實施方案示于圖2-9中。該設(shè)備包括平臺板110或可以移動至與前體材料源120連接的打印平臺。設(shè)置輻射源130以在離散體素中施加輻射至鄰近于平臺板的前體材料層。提供具有一個或多個磁場源142的磁場系統(tǒng)140以能夠施加多個取向的磁場到平臺板上的前體材料層。

提供包括存儲器162的處理器單元160與設(shè)備的一個或多個元件控制通信，所述元件包括平臺板110、前體材料源120、輻射源130、和多個磁場源142，以根據(jù)用于以逐層的方式生成三維部件的指令來控制設(shè)備的操作。(見圖9。)在許多或大多數(shù)實施方案中，提供計算機輔助設(shè)計文件以定義正在生產(chǎn)的部件結(jié)構(gòu)。用于期望部件的計算機輔助設(shè)計文件(例如，.stl文件)可以通過如本領(lǐng)域已知的任意期望的方式生成。設(shè)計文件可以有其它格式，例如.jpeg或.giff。處理器單元包括控制設(shè)備的指令，例如G-代碼等，以根據(jù)設(shè)計文件實現(xiàn)期望部件的生產(chǎn)。

更具體地參考圖6-7，該設(shè)備的一個實施方案包括被支撐用于相對于框架102垂直運動的平臺板110。前體材料源，例如容器120，由平臺板下方的框架支撐，使得平臺板可下降到容器中。下面進一步描述的輻射源130，被放置以施加輻射到前體材料的平臺層(build layer)，當(dāng)其浸入到容器中時與平臺板相鄰。提供圍繞平臺板的磁場系統(tǒng)140以將任何期望的取向的磁場施加到平臺層。

平臺板110可以任何合適的方式被支撐以相對于前體材料的容器垂直移動。在一個實施方案中，平臺板懸掛于移動組件111上，移動組件111具有安裝到導(dǎo)螺桿機構(gòu)114上的X形支架112。更具體地，所述X形支架的一個臂由螺母113或其它連接元件安裝在兩端，用于沿著兩個對角布置的導(dǎo)螺桿116線性移動。每個導(dǎo)螺桿可通過電機117例如步進電機旋轉(zhuǎn)，電機117，與其上端連接。X形支架的另一個臂被安裝用于跟隨沿兩個對角布置的對準桿118或?qū)U的線性移動。例如用線性軸承支撐件將所述導(dǎo)螺桿和對準桿合適地支撐并在它們的下端固定到框架的支撐板上。每個導(dǎo)螺桿的上端通過適當(dāng)?shù)陌鍢?gòu)件115固定到其中一個對準桿的上端。當(dāng)需要升高或降低平臺板時，步進電機啟動，轉(zhuǎn)動導(dǎo)螺桿，使得支架通過螺母113線性運動。在剝離操作期間，平臺板的一端被略微垂直地提升以使平臺板傾斜。然后提升平臺板的另一端直到平臺板再次水平。傾斜平臺板的動作使得剛加固的平臺層與平臺板分離。自動對準軸承119可用于將支架的臂與對準桿連接以確保平滑且可重復(fù)的剝離功能。平臺板可以包括非粘性涂層以在需要時幫助平臺層的分離。

一旦鄰近平臺板110的平臺層已經(jīng)適當(dāng)?shù)丶庸蹋@個過程可能需要一些步驟，取決于平臺層內(nèi)需要實現(xiàn)的顆粒取向的數(shù)量，如上述描述，將平臺板在剝離操作中傾斜，以將剛剛加固的平臺層與平臺板分離。調(diào)平平臺板使得其在剛剛加固的平臺層上方間隔開，并且容器中另外的液體前體材料流入以填充該空間。

要認識到的是，用于平臺板的任何形式的支撐或可移動平臺以及垂直移動平臺板的任何類型的線性驅(qū)動都是可用的。例如，可提供液壓或氣壓缸以升高或降低支架。支架也可以具有其它構(gòu)造。另外，當(dāng)平臺板保持靜止時前體材料源可以是移動的。

磁場系統(tǒng)140包括多個磁場源142a、142b、142c、142d、142e，其每個都可以提供可變強度和梯度的磁場。每個磁場源可以是獨立可控的，并且多個源是可以同時控制的，從而使得可以施加任何取向的磁場至鄰近容器中的平臺板的平臺層。

在一個實施方案中，每個磁場源142是由圍繞芯區(qū)域146的線圈144形成的螺線管電磁體。在圍繞容器周邊的水平平面上布置若干螺線管(在所示的實施方案中使用四個螺線管-142a、142b、142c、142d)，使得每個線圈的軸線平行于平臺板的平面。如圖所示，水平螺線管可以等間隔圍繞容器。每個水平螺線管可以包括鐵芯以增加其磁場的強度。容器下方設(shè)置垂直螺線管142e，其線圈的軸線垂直或正交于平臺板。因為垂直螺線管與平臺層的間隔距離比水平螺線管更近，因此其芯區(qū)域146e可以保持開放并且沒有鐵芯，仍然提供足夠強度的磁場。以這種方式，來自輻射源的輻射可以穿過垂直螺線管的芯區(qū)域到達鄰近平臺板的平臺層。螺線管以任何合適的方式固定到設(shè)備的框架。

螺線管142在處理器單元160的控制下是可控制的，其可以控制由每個螺線管施加的磁場的強度和持續(xù)時間，以施加任何三維取向的磁場穿過平臺層。以這種方式，可以根據(jù)要生產(chǎn)的部件的指令，給予磁性顆粒任何期望的取向。此外，磁場可以是時間可控的，以例如使用旋轉(zhuǎn)的磁場使例如晶板顆粒的第二軸取向。磁場可以保持直到平臺層被輻射源充分固化，下面進一步描述。

要認識到的是可以使用任何其它合適的磁場系統(tǒng)。例如，磁場可以由永久磁體、磁帶、手持磁體、或載流導(dǎo)線施加。磁場源在制造過程中可以附在鄰近系統(tǒng)平臺板的其它位置或材料周圍的空間中。在上述實施方案中，如果需要還可以在容器和平臺板上方設(shè)置另外的垂直螺線管。這種另外的垂直螺線管也需要隨著平臺板的每次剝離操作和提升而移動。由于螺線管趨于重型，如果需要，可以使用更大的電機。

如上所述，輻射源130能夠?qū)⑤椛渚奂卩徑脚_板的前體材料的平臺層內(nèi)的選定體素上。(見圖1。)輻射源通過處理器單元給出的指令而驅(qū)動。

在一個實施方案中，輻射源130包括數(shù)字光投影儀132，所述數(shù)字光投影儀包括在芯片上以像素陣列布置的多個微鏡134或顯微鏡。微鏡陣列對應(yīng)于前體材料平臺層中體素的XY分辨率。放置光源136以照射微鏡，所述微鏡將輻射反射向平臺層。提供透鏡或透鏡系統(tǒng)138以將輻射聚集在鄰近平臺板110的構(gòu)造層上。特別地，鏡可以單獨地重新放置或在開和關(guān)位置之間切換，以使得開位置將來自輻射源的輻射引導(dǎo)并聚焦到平臺層內(nèi)的相應(yīng)體素上。使用描述待生產(chǎn)部件的數(shù)據(jù)文件通過提供的處理器單元控制照明，例如，通過指定要照射的哪些體素。通過這種方式，在任何一個步驟期間僅照射選定的體素以固化或加固基體材料。微鏡可以是任何合適的單個像素尺寸，并且可以根據(jù)應(yīng)用提供任何尺寸的像素陣列。

光源136可以提供任何期望波長的輻射以固化用于制造部件的特定基體材料。在一些實施方案中，波長范圍可以從紫外到可見到紅外輻射。在一些實施方案中，波長可以為300nm-900nm。光源可以是，例如，氙弧燈、LED、或激光。

輻射的時間間隔可以通過處理器單元160控制。時間間隔取決于參數(shù)例如特定基體材料和平臺層的厚度，以使得每個體素被照射足夠的時間以確?；w材料被加固至期望的程度。

可以使用其它類型的光投射器或光處理裝置。例如，掃描微鏡或激光裝置。

在一些實施方案中，處理器單元160是計算機系統(tǒng)的一部分，例如個人計算機、工作站、或服務(wù)器。計算機系統(tǒng)可以用計算機可執(zhí)行指令例如程序模塊來實現(xiàn)，其包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)?shù)據(jù)進行操作的例程、子例程、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等?？梢允褂闷渌嬎銠C系統(tǒng)配置，包括手持設(shè)備、無線設(shè)備、智能手機、平板和便攜式電腦、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器或可編程的消費電子產(chǎn)品、小型計算機、大型計算機等。計算環(huán)境可以包括網(wǎng)絡(luò)，諸如內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、因特網(wǎng)等。計算機系統(tǒng)可以是分布式計算機系統(tǒng)，其中一些程序模塊和存儲器位于遠程，并且一些任務(wù)可以由通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的遠程設(shè)備執(zhí)行。計算機系統(tǒng)可以包括各種硬件元件，包括一個或多個處理單元、存儲器和系統(tǒng)總線，其可操作地耦合包括存儲器的各種系統(tǒng)組件至處理單元?？梢杂幸粋€或多個處理器，使得處理器單元包括單個中央處理單元(CPU)或多個處理單元，例如多處理器或并行處理器。文中所使用的術(shù)語“處理器單元”包括任一或全部的這些選擇和結(jié)構(gòu)。

除了上述實施方案之外，使用磁響應(yīng)顆粒形成復(fù)合部件可以與各種增材制造工藝和設(shè)備一起使用，例如其它立體光刻系統(tǒng)、3D打印系統(tǒng)、直接寫入系統(tǒng)、選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積建模。

本文所述的方法可以應(yīng)用于與所選擇的增材制造工藝和設(shè)備相容的任何材料系統(tǒng)(基體材料和磁響應(yīng)顆粒)。合適的基體材料包括但不限于可光固化丙烯酸材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、或聚氨酯材料。在一些實施方案中，加固之前基體材料的粘度可以是0.7mPa·s-10Pa·s。磁響應(yīng)顆?？梢粤己玫胤稚⒃诨w材料中，例如，通過超聲波或機械攪拌。

在一個實例中，材料系統(tǒng)使用包含丙烯酸基光聚合物與用氧化鐵(Fe₃O₄)納米顆粒標記的增強氧化鋁(Al₂O₃)微晶板顆粒的樹脂以對磁場敏感。更具體地，在一個實例中，通過首先以1:3的重量比混合脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸酯(230)和丙烯酸異冰片酯(IBOA-Sigma)來制備UV敏感的樹脂。分別以2重量％和3重量％加入光引發(fā)劑，并攪拌過夜。使用Ubbelohde粘度計(SimpleVIS，尺寸2C)測量聚合物共混物的粘度，發(fā)現(xiàn)為140cps。將磁化增強顆粒(Al₂O₃)以所需體積份數(shù)加入至樹脂中，并使用微尖超聲波器(Branson 250，20％占空比，40W輸出10分鐘)超聲處理30mL體積，以確保單分散性。最后，將所得混合物脫氣以除去所有溶解的氣體，以防止氣泡在打印過程中造成缺陷。

在一些實施方案中，磁響應(yīng)顆粒具有的最長尺寸是200nm-1000μm。在一些實施方案中，磁響應(yīng)顆粒具有的最長尺寸是1μm-20μm。在一些實施方案中，磁響應(yīng)顆粒具有的長徑比是2-200。

磁響應(yīng)顆?？梢允且驗轭w粒本身是磁性的或顆粒用本身是磁性的材料涂覆而磁響應(yīng)?？梢杂么判圆牧贤扛驳姆谴判灶w粒可以包括但不限于陶瓷、金屬、和聚合物，例如，但不限于磷酸鈣、玻璃(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、氮化硼、銅、鎂鋁、金、銀、聚苯乙烯等。顆?？删哂懈鞣N各樣的幾何形狀，包括不連續(xù)纖維、棒、晶板、薄片或晶須。顆粒通常在至少一個維度上在形狀上是各向異性的，不過在一些實施方案中取決于應(yīng)用也可以使用球狀顆粒。

磁性填料或顆?？梢园?，例如，氧化鐵納米顆粒、鐵屑、超順磁性微珠、鈷薄片和鎳棒。磁性顆粒可具有各種各樣的幾何形狀，包括微珠、納米顆粒、銼屑、纖維、棒、晶板、薄片或晶須。非磁性顆粒的表面涂層可以通過化學(xué)吸附、物理吸附或蒸發(fā)過程提供。

非磁性微?？梢酝ㄟ^已知技術(shù)用磁性納米顆粒例如氧化鐵納米顆粒進行磁性標記。這種標記可以應(yīng)用于具有不同種類的材料和幾何形狀的顆粒。在一個實例中，為了磁化Al₂O₃(氧化鋁)顆粒，用含有10克Al₂O₃的200mL去離子水滴定375μL超順磁性氧化鐵納米顆粒(EMG 705,3.9％體積Fe₃O，F(xiàn)errotec)，以確保均勻涂覆微粒。使用磁力攪拌棒將混合物攪拌過夜。氧化鐵上的帶負電荷的配體涂層使得納米顆粒靜電吸附到氧化鋁顆粒的表面。隨后，過濾和干燥顆粒。一旦干燥完成，磁化的氧化鋁顆?？梢砸匀魏嗡璧捏w積份數(shù)加入到光聚合物或其它基體材料中。

在本發(fā)明的方法中長度尺度為200nm-1000μm的顆?？梢员淮判詷擞浺蕴峁┳罴褟姸鹊拇彭憫?yīng)。磁力與質(zhì)量力(重力和粘性阻力)以及原子和分子力(布朗運動)競爭。更大的顆粒由于體積現(xiàn)象例如重力、剪切等，經(jīng)歷可以支配膠體磁性組件的質(zhì)量力。類似地，顯著小的顆?？梢杂刹祭蔬\動支配，其破壞組件。導(dǎo)致最佳磁響應(yīng)的粒度范圍取決于幾個因素，例如顆粒尺寸、密度、磁化系數(shù)、流體粘度、和所施加磁場的強度。例如，圖10和11的相圖表明對于表面涂層少至0.5體積％的顆粒，其粒徑作為校正場的函數(shù)。特別地，圖10和11是表面磁化晶板顆粒和棒狀顆粒的磁響應(yīng)圖。在圖10中描繪出對于長徑比s＝37的晶板，理論的最小校正場H_min，在圖11中描繪出對于長徑比s＝30的棒的H_min。所述顆粒具有0.5體積％的磁性納米顆粒的表面涂層。在計算中使用3.98和2.5g/cm³的比重值，分別與實驗研究的氧化鋁晶板和硫酸鈣棒一致。見Erb，R.M.，Libanori R.，Rothfuchs，N.，Studart，A.R.Composites Reinforced in Three Dimensions by Using low Magnetic Fields.Science 2012，335(6065)：199-204.

參考圖12A和B的進一步解釋。通過將氧化鋁晶板解釋為扁橢球，可以使用分析表達式來描述懸浮在流體中的磁化晶板的運動。當(dāng)施加磁場時，晶板經(jīng)歷磁扭矩，該磁扭矩用于使晶板的長軸與磁場對齊。該扭矩通過類似尺寸的橢圓形殼施加到晶板上，并且可以描述為：

這里μ_o是自由空間的磁導(dǎo)率(μ_o＝4π·10^-7，單位是[N/A²])，χ_ps是顆粒的體積磁化率(無量綱)，H_o是外部磁場(單位[A/m])，以及ψ是顆粒的長軸相對于垂直軸的角度。這種磁扭矩通過當(dāng)晶板在流體中旋轉(zhuǎn)時經(jīng)歷的粘滯阻力來平衡，其對抗晶板運動，并且可以表示為：

其中f/f₀是Perrin摩擦系數(shù)，可以解析求解。平衡施加在懸浮晶板上的磁力和剪切力矩可以計算晶板角加速度：

在此m是顆粒的質(zhì)量，I是未固定橢圓體的慣性矩。將扭矩代入公式1得出可以使用例如Matlab求解的非線性二階微分方程。使用數(shù)值解以估計在制造過程期間取向所需的時間。

根據(jù)本文所述方法的實施方案進行多個實驗，制備復(fù)合材料的樣品。

實施例1

使用磁性組裝聚合物基體對微觀顆粒取向的可行性采用UV可固化樹脂進行評價，因為UV可固化樹脂的低粘度和可控的聚合。在用365nm光源改進的N-Scrypt 3Dn臺面頂級系列上進行測試。使用永磁體在不同方向上施加磁場。研究兩種不同的填料：磷酸鈣棒和氧化鋁(Al₂O₃)晶板。所用的樹脂體系是具有1重量％Irgacure 184(Ciba，透明光引發(fā)劑)，～1體積％的Al₂O₃晶板或磷酸鈣棒的烷氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(Sartomer)。使用立體光刻(SLA)技術(shù)通過在填充有樹脂的容器中對顆粒取向以及在使用微型噴嘴打印的同時對顆粒取向的技術(shù)來制備樣品。

在聚合之前，在本體樹脂容器中取向的顆粒被允許在磁場中取向5分鐘。對于打印對齊實驗，僅給顆粒30秒以取向。所有圖像用具有透射照明的光學(xué)顯微鏡在5x下拍攝。

使用本體樹脂聚合的立體光刻技術(shù)，采用兩種不同取向的氧化鋁晶板和磷酸鈣棒實現(xiàn)了成功的對齊。圖13A和13B顯示了用垂直場(圖13A)和水平場(圖13B)對晶板的本體對齊實驗的實驗設(shè)置。圖13C示意了晶板的垂直排列(對應(yīng)于圖13A)，圖13D示意了顆粒的水平排列(對應(yīng)于圖13B)。圖13E是說明垂直排列的晶板的俯視圖的顯微照片，圖13F是說明水平排列的晶板的俯視圖的顯微照片。圖14A示意了棒的垂直排列，圖14B示意了棒的水平排列。圖14C是說明垂直排列的棒(在平面外或垂直于平臺)的俯視圖的顯微照片，圖14D是說明水平排列的棒(平面內(nèi)或平行于平臺)的俯視圖的顯微照片。

此外，證明了使用微噴嘴打印方法對氧化鋁晶板成功實現(xiàn)了兩個不同取向的顆粒排列。見圖15A-F。圖15A說明了實驗設(shè)置。圖15B說明了所得部件。圖15C示意性地說明了晶板的垂直排列，圖15D示意性地說明了晶板的水平排列。圖15E是說明垂直排列晶板(平面外或垂直于平臺)的俯視圖的顯微照片，圖15F是說明水平排列晶板(平面內(nèi)或平行于載物臺)的俯視圖的顯微照片。

實施例2-4

磁響應(yīng)增強顆粒如下制備：用約5％的表面覆蓋超順磁性氧化鐵(Fe₃O₄)納米顆粒(EMG 705，從Ferrotec取得)靜電涂覆氧化鋁(Al₂O₃)晶板(從Allusion取得)。將10克氧化鋁粉末加入到200mL去離子水中并劇烈攪拌。然后將375μL的EMG 705分散在60mL去離子水中，并緩慢加入到攪拌的顆?；旌衔镏?。在混合過夜后，過濾顆?；旌衔?，然后干燥。

樹脂是由丙烯酸異冰片酯(IBOA，來自Sigma)和脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸酯(Ebecryl 230，來自Allnex)組成的聚合物共混物。樹脂溶液包含兩種光引發(fā)劑：3重量％的1-羥基環(huán)己基苯基酮(99％，Sigma)和1.5重量％的苯基雙(2,4,6-三甲基-苯甲酰基)氧化膦(97％，Sigma)。一旦樹脂充分混合后，加入選定量的磁性氧化鋁晶板。

使用購自mUVe和nScrypt 3dn分配系統(tǒng)的立體光刻打印機工具包收集初步結(jié)果。mUVe工具包配有定制平臺和激光系統(tǒng)，以適應(yīng)非商業(yè)樹脂和磁場。

制造在單層內(nèi)具有多個離散結(jié)構(gòu)的部件。圖16A-E說明了在一個層內(nèi)用兩個不同取向生產(chǎn)的微型棋盤，證明了光學(xué)性質(zhì)的變化。更不透明的區(qū)域具有在平面中取向的晶板，其吸收的光比在平面外取向的更透明區(qū)域更多。顏色的差異來自于晶板的取向；膜具有均勻的濃度。圖16B說明了在平面外排列的10倍放大率下的光學(xué)顯微鏡圖像；圖16C說明了平面內(nèi)排列的10倍放大率的光學(xué)顯微鏡圖像。相應(yīng)的晶板取向在圖16D和圖16E中示意性說明。

具有包含可編程取向的多層的復(fù)合部件也得到證實。例如，使用面內(nèi)顆粒排列和面外顆粒排列來制造1×1×0.25cm模塊。見圖17A-F。圖17A是具有10體積％磁響應(yīng)晶板的模塊的照片。圖17B是用于編程和制造模塊的取向圖的示意圖。掃描電子顯微鏡圖像驗證了在界面處的面內(nèi)取向和面外取向(圖17C和D)，而圖17E和圖17F提供對每個取向的更細致的分析。

還研究了增強取向?qū)C械性能的影響。用各種排列的10體積％氧化鋁晶板制造用于拉伸試驗的犬骨狀試樣(見圖18)。具有氧化鋁晶板(未取向)的試樣證實了其楊氏模量比沒有增強晶板的打印犬骨試樣的楊氏模量大了約100％，如圖19所示。

纖維結(jié)構(gòu)對機械性能如剛度的重要性如圖20所示。具有沿施加的應(yīng)力方向排列的纖維的樣品的楊氏模量比具有垂直于施加的應(yīng)力排列的纖維的樣品的楊氏模量大了約40％。

在下面的實施例中，提供了大體上如上述圖2-9所述的設(shè)備，使用開源軟件(Creation Workshop)控制數(shù)字光投影儀(ViewSonic PJD7820hd)以及兩個用于垂直或z軸運動的NEMA-17步進電機。該軟件將.stl文件轉(zhuǎn)換為一系列用于聚合每個橫截面的高分辨率矢量文件。將框架(來自mUVe3D)修改為允許通過旋轉(zhuǎn)稀土磁體或計算機控制的螺線管來施加磁場。

在該方法中，施加400G的旋轉(zhuǎn)磁場(3Hz)，以實現(xiàn)樹脂中增強顆粒的期望的排列。適合的排列需要15秒。然后將該層曝露并使用UV光選擇性聚合。通過重復(fù)取向過程和聚合過程在單層中實現(xiàn)多重取向。一旦層完成，將平臺板在剝離功能中提起，且新的樹脂流入前一層和樹脂容器之間。該過程逐層重復(fù)，直到部件完成。將完成的部件在異丙醇中漂洗并在UV室(UVL-56，6W，365nm)中后固化30分鐘，然后進行熱處理(90℃，1小時)以釋放任何殘余應(yīng)力。

實施例5

圖21顯示了控制光學(xué)性質(zhì)的實例。在用氧化鋁微晶板定向增強的氨基甲酸酯/丙烯酸酯共聚物的固體復(fù)合膜塊內(nèi)制造簡單的棋盤格圖案和自由女神像的圖像。在棋盤格圖案中，每個正方形中的增強角度在0°和90°之間交替。氧化鋁微粒的取向?qū)е聫?fù)合材料表面的光學(xué)變化。平面內(nèi)增強散射更多的光且看起來更白；平面外增強吸收更多的光并且看起來更暗。生產(chǎn)棋盤格圖案的過程需要凈時2分鐘以產(chǎn)生2”乘3”的復(fù)合層。增強微結(jié)構(gòu)的SEM分析顯示出最終復(fù)合材料中高水平的微粒排列。

實施例6

研究了調(diào)整增強結(jié)構(gòu)以提供對復(fù)合材料的剛度、強度、韌性和多功能的廣泛可編程性的能力。制備其中所有體素具有相同取向的復(fù)合材料的單塊，并進行拉伸測試以測量沿每個軸的材料強度(圖22A、B)。沿著與增強件對齊的軸的拉伸試驗表現(xiàn)出增強的剛度和延展性，符合復(fù)合理論的預(yù)期。制造微結(jié)構(gòu)并進行硬度制圖以測量局部材料性質(zhì)并驗證在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的每個體素中的材料性質(zhì)的保持。(圖22C)。具有平面外取向的增強的體素相對于僅具有平面內(nèi)增強的材料，顯示出平面外硬度的顯著增加。

為了研究微結(jié)構(gòu)設(shè)計對斷裂韌性的影響，使用各種增強幾何形狀(圖22D)制造具有開口或圓形或圓柱形缺陷的結(jié)構(gòu)，一種幾何形狀是“骨刺(osteon-inspired)”，其中增強件周向環(huán)繞開口，以及兩個具有整體式排列的增強件。這些結(jié)構(gòu)用有限元分析來建模，以觀察圍繞圓柱形缺陷的預(yù)期應(yīng)變。具有增強晶板的方位取向的“骨刺”結(jié)構(gòu)顯示出與施加應(yīng)力的軸線無關(guān)的最小應(yīng)變集中(圖22E)。使用本發(fā)明的方法，可以與FEA分析一起快速評估微結(jié)構(gòu)增強結(jié)構(gòu)以優(yōu)化微結(jié)構(gòu)增強結(jié)構(gòu)。

骨單位結(jié)構(gòu)揭示了每種結(jié)構(gòu)中的斷裂發(fā)生的不同。排列的單塊結(jié)構(gòu)的副軸顯示與裂開有關(guān)的直接、快速的裂紋擴展，而周向結(jié)構(gòu)顯示出裂紋傳播路徑中的偏差。本發(fā)明的方法使得能夠生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)以加強裂紋路徑偏差。為了研究這些效應(yīng)，制備具有取向垂直于(θ＝90°)、銳角(θ＝45°)和平行于(θ＝0°)施加應(yīng)力的增強顆粒的單塊樣品。圖23A說明了每個樣品的不同失效模式：脆性，具有最小塑性變形和高裂紋尖端強度的裂紋斷裂；具有傾斜平面的應(yīng)力支配斷裂；和剪切支配斷裂。因此，復(fù)合部件可以一個體素一個體素得設(shè)計以在給定預(yù)期載荷以在實際上調(diào)整裂紋傳播路徑下呈現(xiàn)特定的失效模式。圖23B顯示出包括不同增強取向的島相(500μm×500μm)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)島相取向匹配本體取向時，產(chǎn)生單塊結(jié)構(gòu)，并且失效機制是可預(yù)測的。當(dāng)島相取向和本體取向不同時，裂紋可以通過材料轉(zhuǎn)向。裂紋轉(zhuǎn)向提供了復(fù)合微結(jié)構(gòu)中斷裂韌化機制的控制切換。可以將失效機制編程到材料中以偏轉(zhuǎn)部件的選定區(qū)域的裂紋。在這方面，注意的是在存在多個取向的情況下，在較弱的相中而不是在界面處發(fā)生裂紋增長。

實施例7：拉伸測試

參照圖24所示，在試樣上測試固化的復(fù)合樹脂的機械性能，所述試樣是由ASTM-D638IV模具制備的片中沖壓出的樣品。在通用試驗機(Instron)上測試試樣。測試三個主要的增強取向：與施加的拉伸載荷平行、垂直、以及成一定角度，以及純聚合物。相對于純聚合物，具有15體積％與負載平行排列的增強顆粒的復(fù)合材料顯示出超過300％的剛度增加。具有垂直于所施加載荷取向的顆粒的復(fù)合材料表現(xiàn)出200％的剛度增加。

實施例8：界面分析

參照圖25A-B，對具有10體積％分數(shù)的Al₂O₃晶板和取向平行于、垂直于所施加載荷、以及與所施加載荷軸成45°的犬骨狀試樣進行拉伸試驗。對于具有與45°排列的試樣的剪切支配斷裂平行增強的試樣，具有與垂直增強的試樣的開裂平行增強的試樣，每組的斷裂面與正常應(yīng)力支配的斷裂不同。每個取向的斷裂表面的SEM圖像說明了增強取向?qū)α鸭y增長的影響。沿著所施加載荷的軸線(平行排列)增強的樣品顯示出提高的機械性能和更大屈服的可見跡象。裂紋相對于增強取向傳播，沒有真實的易軸，并且是粗糙但隨機的。以角度增強的樣品顯示與增強顆粒的角度一致的裂紋增長。垂直于施加載荷而增強的樣品表明由于裂紋增長平行于晶板而開裂。為了證明邊界和界面不是缺陷，除了小區(qū)域之外，用平行排列制造拉伸試樣。當(dāng)測試時，失效位于較弱區(qū)域的中心，而不是在界面處。

參照圖26，制造在其中心具有同心增強的(“骨刺(osteon-inspired)”)孔的犬骨狀試樣。拉伸測試結(jié)果顯示出機械性能與施加的負載無關(guān)的各向同性機械響應(yīng)。還測試了具有平行于施加載荷(強軸)和垂直于施加載荷(弱軸)的加強件的犬骨狀試樣。制備具有圍繞中心孔的八個離散區(qū)域的試樣，以消除每組試樣之間的界面區(qū)域的差異源。在缺陷周圍的區(qū)域中的增強取向?qū)е聶C械性能以及失效行為的顯著變化。特別地，具有垂直于負載的增強的試樣中的裂紋路徑失效且具有裂開的界面，而在具有平行或周向增強的試樣中出現(xiàn)較少的直接裂紋路徑。

圖27說明了具有直線圖案的樣品的硬度制圖，其中內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域具有平面內(nèi)取向，并且中心帶具有平面外取向。該樣品包括22×22×3mm(20層)的15體積％分數(shù)的氧化鋁顆粒。使用Vickers微壓痕以0.98N的施加力，15秒停留時間和大于平均對角線長度(約200μm)的5倍的1.5mm壓痕間隔進行硬度制圖。樣品厚度和測試位置間距防止壓痕影響后續(xù)測試?？梢栽谳喞獔D上查看樣品上收集的數(shù)據(jù)點(總共77個)。使用具有1.5mm網(wǎng)格和最近鄰插值的MatLab生成表面圖，以便精確地反映樣本。

圖28A-D說明了使用具有圖案化取向的簡單、均勻樣品來操縱斷裂行為的能力。在每個樣品中，初始是小裂紋，隨后樣品受到2mm/分鐘的應(yīng)變。通過改變有序區(qū)域的尺寸和規(guī)模，可以改變裂紋路徑。在圖28A中，試樣具有增強抗裂紋增長的小島相(深色方塊)，而其余區(qū)域(基體相)在沒有優(yōu)先方向或易軸的情況下平面內(nèi)取向，用于裂紋增長。裂紋保持在基體相中并且不進入任何增強區(qū)域。在島相取向平行于裂紋方向(易軸)的樣品中，裂紋移動到較暗區(qū)域以使斷裂能最小(圖28B)。在圖28C的樣品中，島相被膠印并略大于圖28A中的樣品。在這種情況下，通過增強島相的裂紋增長比圍繞島相的增長需要更大的能量，提供明顯的裂紋偏轉(zhuǎn)。然而，在增強區(qū)域間隔得太近的情況下，如圖28D中的磚和砂漿圖案，裂紋路徑不受圖案化取向的影響。

該方法和由該方法制備的復(fù)合材料和部件在各種工業(yè)中有應(yīng)用。具有包括高強度重量比的增強的機械性能的復(fù)合材料和部件，相對于幾何形狀和剪切確定纖維排列的用注塑復(fù)合材料制造的類似材料，可以提供增強的強度。復(fù)合材料和部件能夠生產(chǎn)用于軍事應(yīng)用的強的、輕的裝置，例如微型飛行器。可以生產(chǎn)定制化生物醫(yī)學(xué)裝置、植入物、矯形器和修復(fù)體，其可以是患者特異性的并且其設(shè)計可使得材料性質(zhì)最大化。

可以提供具有增強導(dǎo)熱性能，包括各向異性和可程序控制的導(dǎo)熱性的復(fù)合材料和部件，例如導(dǎo)電或非導(dǎo)電填料。應(yīng)用包括航空航天部件，嵌入式電子器件等。

可以提供具有增強光學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料和部件，例如用光學(xué)上不同的填料構(gòu)造的復(fù)合材料或可編程濾光器。

本文公開的方法和設(shè)備使得不連續(xù)纖維復(fù)合材料能夠在各種增材制造工藝期間使用磁場來精確控制增強顆粒的取向和空間分布的情況下進行組裝。該技術(shù)結(jié)合了使用磁場的非浸入性、低能量組裝技術(shù)以針對大量不同的增強填料，無論它們是否是固有磁性的，并且在制造期間將它們構(gòu)造成幾乎任何復(fù)雜的幾何形狀。該方法和設(shè)備可以用于產(chǎn)生具有均勻、各向異性(特定于一個方向)、或高度異質(zhì)(整個材料特定的)的機械、熱、電和光學(xué)性質(zhì)(例如拉伸強度、導(dǎo)熱性、電導(dǎo)率和不透明度/顏色)。本發(fā)明的方法是高度可編程和可再現(xiàn)的。相比之下，目前的增材制造技術(shù)不允許打印聚合物-陶瓷復(fù)合材料，更不用說對增強結(jié)構(gòu)有控制的復(fù)合材料。三維增強的復(fù)合材料的其它制備方法，例如纖維編織或z-pinning，不能在增強取向上實現(xiàn)高的空間分辨率，這用本發(fā)明的方法和設(shè)備是可以實現(xiàn)的。

可以理解為本文所描述的實施例的各種特征可以以各種方式組合。例如，一個實施方案中描述的特征可以包括在另一個實施方案中，即使在這個實施方案中沒有明確描述，。

本發(fā)明已經(jīng)通過結(jié)合一些優(yōu)選實施方案進行了描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不限于所示和所描述的構(gòu)造、操作、精確材料或?qū)嵤┓桨傅拇_切細節(jié)，并且本文公開的各種修飾、等同物的替換、組合物的改變以及實施方案的其它改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員會是顯而易見的。