ORNL研究人員開發(fā)新型BJAM粘結(jié)劑，可3D打印出能承受自身重量300倍的砂橋

導(dǎo)讀：硅砂是一種很有吸引力的粉末材料，由于其低熱膨脹系數(shù)（CTE）和低成本的特點(diǎn)，可使用粘合劑噴射增材制造（BJAM）工藝輕松加工，特別適合制作工具和模具。然而，生坯零件的機(jī)械缺陷一直是一個(gè)主要瓶頸，坯體成型后的低強(qiáng)度難以支撐后續(xù)的操作，這也阻礙了BJAM硅砂在模具中的廣泛使用。所以，開發(fā)出一種能夠粘結(jié)硅砂材料的，且能夠?yàn)樯�坯提供良好�?qiáng)度的粘結(jié)劑是科學(xué)家們一直探索的話題。

2021年11月14日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員開發(fā)了一種新型聚合物粘結(jié)劑來粘合和強(qiáng)化硅砂，并將其應(yīng)用于增材制造中。目前，這種新型聚合物的主要應(yīng)用方向?yàn)檎澈蟿﹪娚渲圃欤�這是一種工業(yè)用于原型制作和零件生產(chǎn)的3D打印方法。

通過這種聚合物粘合起來的打印砂結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜幾何形狀和很高的機(jī)械強(qiáng)度，此外，它還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)——可溶于水，這極大方便了打印模型的后處理流程。這篇研究發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0

DOI：10.1038 /s41467-021-25463-0

△圖：粘合劑噴射增材制造（BJAM）工藝和代表性的打印品。BJAM打印機(jī)和固化過程。打印機(jī)進(jìn)料側(cè)的粉末，標(biāo)記為 "沙子"，被逆向旋轉(zhuǎn)的打印機(jī)移動(dòng)到構(gòu)建側(cè)。標(biāo)為 "沙子 "的打印機(jī)中的粉末被逆向旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)右苿?dòng)到構(gòu)建側(cè)。在每一層粘結(jié)劑沉積完畢后，構(gòu)建側(cè)將被降低。沉積后，構(gòu)建側(cè)將下降。打印出來的零件在180℃下固化。打印過程中的粉床，顯示了粘合劑與硅砂粉床的結(jié)合情況，這使得粉床的顏色更深。c 用BJAM生產(chǎn)的復(fù)雜的自立沙子特征。用BJAM生產(chǎn)的復(fù)雜的自立沙子特征，顯示了（左）a板塊中的葉子結(jié)構(gòu)和（右）b板塊中的葉子結(jié)構(gòu)。圖中的葉子結(jié)構(gòu)，以及（右）在一批沙子上打印的具有復(fù)雜特征的城堡，錯(cuò)綜復(fù)雜的特征印在沙坯上。

論文中還展示了一座6.5厘米長3D打印的砂橋，可承載其重量的300倍，這一壯舉類似于在布魯克林大橋上的蓋了12座帝國大廈。

△3D打印砂橋；圖片來源：Dustin Gilmer/田納西大學(xué)

粘結(jié)劑噴射

粘結(jié)劑噴射打印過程比工業(yè)中使用的其他 3D 打印方法更便宜、更快，并且允許通過各種粉末材料創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)，提供成本和可擴(kuò)展性優(yōu)勢。這個(gè)概念源于噴墨打印，但打印頭不是使用墨水，而是噴射液體聚合物來粘合粉末材料，例如砂子，逐層構(gòu)建 3D 設(shè)計(jì)。

該團(tuán)隊(duì)利用聚合物專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)了一種聚乙烯或PEI粘合劑，通過粘合聚合物賦予打印砂強(qiáng)度。與傳統(tǒng)粘合劑相比，這款粘合劑將噴砂部件的強(qiáng)度提高了一倍。

通過粘合劑噴射打印的部件在從打印床上移除時(shí)最初是多孔的�？梢酝ㄟ^使用一種稱為氰基丙烯酸酯的額外強(qiáng)力膠來填充設(shè)計(jì)，以填充間隙來加強(qiáng)它。第二步的強(qiáng)度比第一步增加了八倍，使聚合物砂復(fù)合物比任何其他建筑材料和任何已知的建筑材料（包括磚石）更堅(jiān)固。

該項(xiàng)目的首席研究員、ORNL的TomonoriSaito說 ：“很少有聚合物適合用來作為砂子打印的粘合劑。我們也一直在尋找具有某些特性的粘結(jié)劑，例如在溶解度方面，這會(huì)給我們帶來最好的結(jié)果。當(dāng)下，我們的主要發(fā)現(xiàn)是PEI介質(zhì)的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)粘合材料一般是使用滲透材料（例如強(qiáng)力膠）制成部件，它的結(jié)構(gòu)更密集，但沒有一個(gè)達(dá)到接近 PEI 粘合性能的水平。 PEI 令人印象深刻的強(qiáng)度源于聚合物在加工過程中與氰基丙烯酸酯反應(yīng)的方式。”

新型聚合物的發(fā)現(xiàn)為3D打印砂子提供了卓越的強(qiáng)度

超高強(qiáng)度砂的一種潛在應(yīng)用是開發(fā)用于制造復(fù)合材料的工具。一直以來，硅砂都是一種廉價(jià)且容易獲得的材料，它應(yīng)用到汽車和航空領(lǐng)域生產(chǎn)復(fù)合材料部件的潛力已經(jīng)引起了人們的興趣。

△TomonoriSaito在ORNL的能源制造示范設(shè)施部展示了一個(gè)3D打印的砂堡。圖片來源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

田納西州普雷迪遜中心的大學(xué)生、該研究的主要作者達(dá)斯汀吉爾默醫(yī)學(xué)博士說：“將碳纖維或玻璃纖維等輕質(zhì)材料包裹在3D 打印的砂芯或“工具”上，并進(jìn)行熱處理。在此過程中，硅砂有著絕佳的性能，因?yàn)樗�在加熱時(shí)不會(huì)改變其尺寸，而且它在可清洗工具方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在復(fù)合材料應(yīng)用中，使用水溶性粘合劑制作砂具很重要，因?yàn)樗�允許用水進(jìn)行簡單的洗滌步驟以去除砂子，留下中空的復(fù)合材料形式�！�

現(xiàn)有砂型鑄造模具有在工業(yè)用途中受限，主要是因?yàn)橄衲切﹤鹘y(tǒng)的商業(yè)方法在清洗過程中，施加的熱量和壓力可能會(huì)導(dǎo)致零件在第一次嘗試時(shí)破裂或失敗。因此，需要更堅(jiān)固的模具來支持大規(guī)模制造并實(shí)現(xiàn)快速零件生產(chǎn)。

吉爾默則表示，這種新型高強(qiáng)度聚合物就很好的具備了這種成型和強(qiáng)化功能，增加了粘合劑噴射制造零件的復(fù)雜性，從而可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，并擴(kuò)大制造、工具和建筑應(yīng)用。

此外，這種新型粘結(jié)劑還在2019年獲得了年度研發(fā)百強(qiáng)獎(jiǎng)，并獲得了行業(yè)合作伙伴ExOne的研究許可。