大自然已经产生了精致的复合材料-例如木材、骨、牙齿和贝壳-它们将轻质和密度与理想的力学性能如刚度、强度和损伤耐受性结合在一起。

自从古代文明首次将稻草和泥浆结合成砖以来，人们就制造了性能和复杂性不断提高的工程复合材料。 但是，复制自然界中发现的特殊的力学性能和复杂的微观结构是具有挑战性的。

现在，哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的一个研究小组已经展示了一种新的3D打印方法，它对嵌入在聚合物基质中的短纤维的排列产生了前所未有的控制。 他们使用这种添加剂制造技术来编程在指定位置的环氧复合材料中的纤维取向，从而创造出对强度、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”，可以有广泛的应用。 鉴于其油墨设计的模块化性质，可以实现许多不同的填料和矩阵组合，以定制印刷物体的电气、光学或热性能。

该研究的高级作者詹妮弗·A·刘易斯(JenniferA.Lewis)说：“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一个巨大的挑战。 “我们现在可以用一种等级的方式来设计材料，就像大自然的建造方式一样。” 刘易斯也是哈佛大学Wyss生物启发工程学院的核心系成员。

这项工作，在PNAS杂志上描述，是在哈佛的刘易斯实验室进行的。 合作者包括当时博士后研究员Brett Compton（现为诺克斯维尔田纳西大学机械工程助理教授）和Jordan Raney（现为宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学助理教授）；访问苏黎世E THKristina Shea教授实验室的博士生Jochen Mueller。

其方法的关键是精确地编排3D打印机喷嘴的速度和旋转，以编程聚合物基体中嵌入纤维的排列。 这是通过装备一个旋转喷头系统与步进电机，以指导旋转喷嘴的角速度，当油墨被挤出。

康普顿说：“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，从而提高强度和刚度，减少材料。” 我们不是利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，从熔融长丝制造，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，从碳和玻璃纤维到金属或陶瓷晶须和血小板。

该技术允许三维打印工程材料，可以空间编程，以实现特定的性能目标。 例如，纤维的取向可以局部优化，以增加损伤公差的位置，预计将经历最高的应力在加载，硬化潜在失效点。

拉尼说：“这项工作令人兴奋的一点是，它为生产复杂的微结构提供了一条新的途径，并可控制地改变不同区域的微观结构。” 对结构的更多控制意味着对由此产生的属性的更多控制，这大大扩大了设计空间，可以用来进一步优化属性。

生物复合材料通常具有显著的力学性能：单位重量高刚度和强度，高韧性。 麻省理工学院材料科学与工程教授LornaJ.Gibson说：“受生物复合材料启发设计工程材料的一个突出挑战是在小尺度和地方一级控制纤维取向。 这篇来自刘易斯小组的杰出论文展示了这样做的方法。 这是生物激发复合材料设计的一个巨大飞跃。