竹子還能FDM打��？葡萄牙研究人員將竹纖維結(jié)合ABS材料 3D打印以制造高強(qiáng)度零件

導(dǎo)讀：2021年8月6日，南極熊獲悉，來自阿威羅大學(xué)（Portguese University ofAveiro）和阿威羅材料研究所（Aveiro Institute of Materials）的研究人員開發(fā)了一種將竹纖維與ABS相結(jié)合的造出增材制造原料新方法，并將這種混合物3D打印成具有高強(qiáng)度、優(yōu)異機(jī)械性能的部件。

研究團(tuán)隊(duì)采用兩步反應(yīng)過程，已經(jīng)能夠創(chuàng)造出一種全新的生物復(fù)合材料，使他們能夠精確調(diào)整竹基材料的疏水性、密度和熱質(zhì)量。配制完成后，科學(xué)家們將這種材料用于3D打印樣品，發(fā)現(xiàn)這一過程沒有對(duì)材料的原始形態(tài)造成破壞，并且對(duì)制造的任何形狀的部件都有強(qiáng)化作用。

△對(duì)竹纖維進(jìn)行化學(xué)改性的過程的示意圖。圖片來自《Polymer Journal》

采用有機(jī)物填充的長(zhǎng)絲

鑒于用天然填充物強(qiáng)化3D打印材料（如ABS）在成本、機(jī)械和可持續(xù)性方面的潛在優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在正在對(duì)如何才能最好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)進(jìn)行重大研究。在過去，像大米、椰子或大麻這樣的植物成分曾被用來制造實(shí)驗(yàn)性的復(fù)合材料，但要實(shí)現(xiàn)填充物與基體的良好結(jié)合，以前被證明是很困難的。

就竹子本身而言，它是一種儲(chǔ)量豐富且易于獲得的原材料，現(xiàn)在在21個(gè)國(guó)家都有種植，而且它經(jīng)常被用來建造房屋等建筑物和生產(chǎn)家庭用品。然而，就其性質(zhì)而言，竹纖維是親水的，而聚合物基質(zhì)是疏水的，因此需要幾個(gè)化學(xué)步驟才能將其整合到3D打印材料中。

在以前的研究中，研究人員已經(jīng)證明了對(duì)竹纖維進(jìn)行改性，例如當(dāng)它們與聚丙烯（PP）結(jié)合形成增強(qiáng)型樹脂時(shí)，可以提高其耐水性和機(jī)械性能。因此，本次葡萄牙阿威羅大學(xué)團(tuán)隊(duì)從他們的前輩那里獲得靈感，開發(fā)了一種類似的方法，不過是將竹子處理成FDM長(zhǎng)絲。

△科學(xué)家們的3D打印竹制品原型。圖片來自《Polymer Journal》

竹纖維生物復(fù)合材料

為了配制出新型的生物復(fù)合材料，科學(xué)家們使用二異氰酸酯來改性竹子樣品，發(fā)現(xiàn)它可以減少竹纖維的親水性，并增強(qiáng)了它們與聚合物基質(zhì)的親和力。改性處理后，所得到的混合材料被清洗、干燥，并以5%的濃度與ABS混合，然后被擠壓成可打印的3D長(zhǎng)絲。

在對(duì)他們的材料進(jìn)行打印試驗(yàn)之前，研究人員使用SEM分析來評(píng)估他們的配備過程，并發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)去除任何纖維雜質(zhì)，盡管是以一些密度為代價(jià)。此外，與未經(jīng)處理的纖維制成的長(zhǎng)絲相比，研究小組觀察到他們的改性材料呈現(xiàn)出更光滑的表面，進(jìn)一步提高了最終應(yīng)用的潛力。

為了測(cè)試他們的材料的可加工性，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)使用Anycubic Chiron 3D打印機(jī)擠壓成型出一組船槳狀樣品。有趣的是，用經(jīng)過處理的纖維進(jìn)行打印被發(fā)現(xiàn)會(huì)降低其熱穩(wěn)定性。不過研究人員指出其降解溫度要普遍高于其加工溫度，因此這并不影響打印模型的穩(wěn)定性。

對(duì)處理過的纖維標(biāo)本進(jìn)一步成像顯示，它們擁有增強(qiáng)的楊氏模量和減少的斷裂伸長(zhǎng)率，反映出它們的剛度有所提高�；�于這些結(jié)果，研究小組推測(cè)，他們的方法證明了不僅有可能將竹子整合到可打印的聚合物中，而且可以通過調(diào)整它們的搭配方式不斷制造出潛在的、有用的產(chǎn)品。

△竹纖維復(fù)合材料顯微形貌

阿威羅大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道："我們的結(jié)果證實(shí)，復(fù)合材料的可加工性并沒有受到影響。使用經(jīng)過處理的填充物也降低了材料的密度，而沒有失去它們?cè)�本的機(jī)械性能。事實(shí)上，經(jīng)過處理的纖維反而增強(qiáng)了3D打印標(biāo)本的性能，這證明了化學(xué)處理的優(yōu)勢(shì)。一系列的結(jié)果表明，使用化學(xué)改性的竹纖維可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的生物基3D打印材料。"

△木材正越來越多地被用作3D打印應(yīng)用的生態(tài)友好型樹脂添加劑。照片來自Forust

新興的木材打印趨勢(shì)

隨著更廣泛的3D打印行業(yè)繼續(xù)尋找新的生態(tài)友好型聚合物絲的替代品，研究人員越來越多地將木質(zhì)材料作為理想的答案。就在去年，弗萊堡大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將有機(jī)木質(zhì)素和纖維素化學(xué)品結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種新型的可3D打印的生物合成聚合物。

在一個(gè)類似的基于木材料的制造案例中，德國(guó)聯(lián)邦材料研究和測(cè)試所的科學(xué)家們，已經(jīng)把白蟻和極不起眼的昆蟲垃圾變成了他們所需的加工材料。通過將粉末狀的木材與小動(dòng)物的糞便相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地生產(chǎn)出一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)原料，能夠產(chǎn)生高度精確的結(jié)構(gòu)。

在更多的商業(yè)層面上，Desktop Metal還在2021年5月推出了其子公司Forust，這是一個(gè)專門用于粘結(jié)劑噴射的木質(zhì)部件的品牌。該公司的生產(chǎn)過程與木材制造業(yè)和造紙業(yè)的廢棄副產(chǎn)品兼容，一旦這些副產(chǎn)品與環(huán)氧樹脂混合，就可以創(chuàng)造出3D打印材料。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們的論文，題為 "Chemicallymodified bamboo fiber/ABS composites for high-quality additive manufacturing”，該論文由Nuno Gama、Sandra Magina、Artur Ferreira和Ana Barros-Timmons共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41428-021-00540-9