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3D列印是一種透過自下而上，依次新增材料，分層製造三維微觀結構的過程。在過去的十年裡，3D列印技術發展迅速，特別是在汽車、航空航天、建築和體育應用等高強度、輕量化工業複合材料領域方面。
儘管3D列印技術應用廣泛，但是在列印過程中經常會遇到一個問題，那便是會形成空隙，空隙的存在會對打印出的材料的力學效能產生影響。這些空隙通常存在於相鄰的纖維之間，並且往往在列印方向上高度對齊，因此表現出了一種各向異性的模式而不是一種隨機的分佈。此外，由於材料是逐層列印的，這些纖維和空隙分佈在每個相應的層平面上，使得打印出材料更易受到平面各向異性效應的影響。與此同時，這種結構的各向異性反過來又受到相關工藝引數的影響，這就導致許多研究者致力於尋找控制工藝引數的方法。儘管如此，目前還是缺乏對3D列印造成的各向異微觀結構對所得材料各向異性力學響應的影響的定性分析。因此，仍有巨大的空間可以更深入的研究和討論，以揭示這些材料的微觀結構與其力學效能之間的關係。
近日，韓國科技先進研究院的Siwon Yu（第一作者），Soon Hyung Hong （通訊作者），韓國科技研究所的Jun Yeon Hwang（通訊作者）及其團隊，在《Composites Part B》上發表了題為“Anisotropic microstructure dependent mechanical behavior of 3D-printed basalt fiber-reinforced thermoplastic composites”的文章，該文系統地研究了3D列印纖維增強複合材料的各向異性微觀結構，並確定了它們對各向異性力學效能的影響。利用高度詳細的三維X射線層析成像技術，定量鑑定了由三維列印過程構建的纖維增強複合材料的各向異性元件。此外，在實驗確定的物理效能的基礎上，系統地進行了X射線CT輔助模擬分析，以正確重建預測3D列印微結構的微觀力學效能。
圖 1 三維層析成像技術概述
圖 2 四種具有不同各向異性微結構的列印樣品的斷層掃描影象
圖 3 透過定義每個樣品中單個纖維的方向特徵來可視化纖維取向分佈的示意圖
圖 4 透過識別材料結構中空隙的形狀、大小和位置來分析空隙分佈的定量結果
圖 5 3D列印樣品在XY、XZ和YZ平面上的有效剛度
圖 6 透過數學模擬得出的基於微觀結構的強度預測
該文製備了玄武岩纖維增強聚乳酸複合材料作為三維列印的原料，系統地對三維列印短纖維增強複合材料的各向異性微觀結構進行了研究，並確定了其對其各向異性力學效能的影響。同時，使用X射線CT輔助模擬分析證實了實驗結果，即3D列印影響材料的微觀結構和力學效能的各向異性。這種可列印的生物材料可以廣泛應用於生物技術領域，包括人工骨骼、組織和器官。
原始文獻：Siwon Yu , Hrishikesh Bale, Seunggyu Park，et al.Anisotropic microstructure dependent mechanical behavior of 3D-printed basalt fiber-reinforced thermoplastic composites[J]. Composites Part B，2021，224：109184.
