A novel 3D printing based fabrication process of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites (CFRTPCs) was proposed. Continuous carbon fiber and PLA filament were utilized as reinforcing phase and matrix, respectively, and simultaneously fed into the fused deposition modeling (FDM) 3D printing process realizing the integrated preparation and forming of CFRTPCs. Interfaces and performance of printed composites were systematically studied by analyzing the influencing of process parameters on the temperature and pressure in the process. Forming mechanism of multiple interfaces was proposed and utilized to explain the correlations between process and performance. Fiber content of the printed specimens can be easily controlled by changing the process parameters. When the fiber content reached 27%, flexural strength of 335 MPa and modulus of 30 GPa were obtained for the printed composite specimens. Composite components were fabricated to demonstrate the process feasibility. Potential applications could be found in the field of aviation and aerospace.

Poly-ether-ether-ketone (PEEK) is a high-performance, temperature-resistant semicrystalline polymer which is frequently used as a replacement for metals in a wide variety of high-performance end-use application. Thermal processing conditions during manufacturing process for PEEK can implement a significant impact on its crystallinity and mechanical properties directly and indirectly. In this paper, we have used a temperature-control 3D printing system to prepare all the PEEK samples for calculating crystallinity and performing tension tests, in order to investigate the relationship between various thermal processing conditions (the ambient temperature, the nozzle temperature and heat treatment methods) in FDM process and crystallinity and mechanical properties (tensile strength, elastic modulus and breaking elongation) of pure PEEK material. All experiment results show temperature-control 3D printing method has tremendous potential to design, control and realize different degrees of crystallinity and mechanical properties for different PEEK parts, even in different regions of the same PEEK part.

Purpose Continuous fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPCs) are becoming more significant in industrial applications but are limited by the high cost of molds, the manufacturing boundedness of complex constructions and the inability of special fiber alignment. The purpose of this paper is to put forward a novel three-dimensional (3D) printing process for CFRTPCs to realize the low-cost rapid fabrication of complicated composite components. Design/methodology/approach For this purpose, the mechanism of the proposed process, which consists of the thermoplastic polymer melting, the continuous fiber hot-dipping and the impregnated composites extruding, was investigated. A 3D printing equipment for CFRTPCs with a novel composite extrusion head was developed, and some composite samples have been fabricated for several mechanical tests. Moreover, the interface performance was clarified with scanning electron microscopy images. Findings The results showed that the flexural strength and the tensile strength of these 10 Wt.% continuous carbon fiber (CCF)/acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) specimens were improved to 127 and 147 MPa, respectively, far greater than the one of ABS parts and close to the one of CCF/ABS (injection molding) with the same fiber content. Moreover, these test results also exposed the very low interlaminar shear strength (only 2.81 MPa) and the inferior interface performance. These results were explained by the weak meso/micro/nano scale interfaces in the 3D printed composite parts. Originality/value The 3D printing process for CFRTPCs with its controlled capabilities for the orientation and distribution of fiber has great potential for manufacturing of load-bearing composite parts in the industrial circle.

A cleaner production pattern for high-performance continuous carbon fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPCs) has been proposed on the base of recycling and remanufacturing of 3D printed continuous carbon fiber reinforced (CFR) PLA composites. Continuous carbon fiber and PLA matrix was recycled in the form of PLA impregnated carbon fiber filament from 3D printed composite components and reused as the raw material for further 3D printing process. The original printing trajectory is reversely applied, allowing for a 100% recycling of the continuous fiber without any effect on the mechanical properties. Tensile performance of recycled carbon fiber filaments was evaluated, which was higher than that of originally printed composites. Remanufactured CFRTPCs specimens also exhibited a 25% higher bending strength than that of original ones, which experimentally demonstrated the first non-downgrade recycling process for CFRTPCs. A material recovery rate of 100% for continuous carbon fiber and 73% for PLA matrix were achieved for a better environmental impact. Energy consumption of 67.7 and 66 MJ/kg respectively for recycling and remanufacturing processes was detected and compared with conventional methods. The proposed cleaner production pattern offered a potential strategy for the low-cost industrial application of fully recyclable composites.

Fused deposition modeling (FDM) is a rapidly growing three-dimensional (3D) printing technology and has great potential in medicine. Polyether-ether-ketone (PEEK) is a biocompatible high-performance polymer, which is suitable to be used as an orthopedic/dental implant material. However, the mechanical properties and biocompatibility of FDM-printed PEEK and its composites are still not clear. In this study, FDM-printed pure PEEK and carbon fiber reinforced PEEK (CFR-PEEK) composite were successfully fabricated by FDM and characterized by mechanical tests. Moreover, the sample surfaces were modified with polishing and sandblasting methods to analyze the influence of surface roughness and topography on general biocompatibility (cytotoxicity) and cell adhesion. The results indicated that the printed CFR-PEEK samples had significantly higher general mechanical strengths than the printed pure PEEK (even though there was no statistical difference in compressive strength). Both PEEK and CFR-PEEK materials showed good biocompatibility with and without surface modification. Cell densities on the "as-printed" PEEK and the CFR-PEEK sample surfaces were significantly higher than on the corresponding polished and sandblasted samples. Therefore, the FDM-printed CFR-PEEK composite with proper mechanical strengths has potential as a biomaterial for bone grafting and tissue engineering applications.

Over the past few decades, there has been an increasing interest in the fabrication of complex high-resolution three-dimensional (3D) architectures at micro/nanoscale. These architectures can be obtained through conventional microfabrication methods including photolithography, electron-beam lithography, femtosecond laser lithography, nanoimprint lithography, etc. However, the applications of these fabrication methods are limited by their high costs, the generation of various chemical wastes, and their insufficient ability to create high-aspect-ratio 3D structures. High-resolution 3D printing has recently emerged as a promising solution, as it is capable of building multifunctional 3D constructs with optimal properties. Here we present a review on the principles and the recent advances of high-resolution 3D printing techniques, including two-photon polymerization (TPP), projection microstereoLithography (PµSL), direct ink writing (DIW) and electrohydrodynamic printing (EHDP). We also highlight their typical applications in various fields such as metamaterials, energy storage, flexible electronics, microscale tissue engineering scaffolds and organ-on-chips. Finally, we discuss the challenge and perspective of these high-resolution 3D printing techniques in technical and application aspects. We believe that high-resolution 3D printing will eventually revolutionize the microfabrication processes of 3D architectures with high product quality and diversified materials. It will also find applications in a wide scope.

Abstract A modular design method is introduced to design an acoustic metamaterial based on nested Helmholtz resonators that target low‐frequency sound attenuation. The method combines a performance evaluation using finite element methods with structural evolution, and uses a genetic algorithm to optimize the acoustic metamaterial to attain the desired properties. Both the simulated and experimental results demonstrate the noise attenuation property of the optimized acoustic metamaterials. The modular design method proposed by this study may potentially design acoustic metamaterials for practical sound attenuation applications in industries by considering different environments and constraints.

This study leverages the high manufacturing freedom of 3D printing technology to design a new type of three-dimensional elastic metamaterial with surface resonant units. This metamaterial uses chiral connecting rods and mass blocks on the surface to generate local resonance effects, achieving omnidirectional vibration isolation effects with both low frequency and wide bandwidth, and also has a certain load-bearing capacity. The mechanisms of local resonance bandgap generation are illustrated from the band structure and vibration modes at the edge frequency of the bandgap. The influence of structural geometric parameters and material properties on the bandgap is systematically investigated via finite element method. The transmission characteristics of the metamaterial are obtained through simulation and experiment, and the bandgap areas achieved from two methodologies match each other well. Through static compression tests, the compressive abilities of metamaterials with different frame thicknesses are studied, providing theoretical guidance and data support for engineering applications of balancing vibration isolation and load-bearing.

Abstract Background Magnetic compression for creating gastrojejunostomy has many advantages according to previous studies. However, following mechanical device release after healing, the anastomotic stenosis becomes the pivotal point. Methods Rectangle-shaped magnets were used for magnetic compression in rabbits. Both paclitaxel-loaded magnets and a strategy of pyloric ligation were chosen to improve the gastrojejunostomy. Based on these choices, the half-capsule was applied to occlude the pylorus after anastomotic formation. The size and patency of the anastomoses were analyzed to evaluate the efficacy of these approaches. A histological examination was also performed. Results The positive effect of ligating the pylorus on gastrojejunostomy was significantly greater than that achieved using paclitaxel-loaded magnets during either short- or long-term follow-up. There were fewer scar tissue and collagen fibers at the anastomotic site in the treatment group than in the control group. The anastomotic aperture was of great interest at 9 months after the ligation of the pylorus following magnetic compression. In the view of the jejunum, although the aperture was barely visible, gastric juice was continuously spilling through it like a spring, and the aperture was clearly visible from the stomach side. All half-capsules failed to block the pylorus. Conclusion The effect of paclitaxel on maintaining gastrojejunostomy patency was temporary. The ligation of the pylorus ensured the long-term patency of gastrojejunostomy, and the aperture was comparable to the pylorus which could play an anti-reflux role. Further studies for the sort of gastrointestinal aperture are being planned.