ORNL发明真空辅助挤压技术，通过降低孔隙率实现更坚固的大幅面3D打印

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2025年5月8日，来自橡树岭国家实验室 (ORNL) 的研究人员发明了一种真空辅助挤压技术，可将大型 3D 打印聚合物部件的内部孔隙率降低高达 75%。该方法解决了大幅面增材制造 (LFAM) 的一个重大限制：即内部孔隙会影响打印部件的结构完整性。

真空辅助挤压技术在大规模增材制造中被广泛应用，以减少打印部件的孔隙率。图片来源：Vipin Kumar/ORNL，美国能源部

相关研究以题为“Vacuum-assisted extrusion toreduce internal porosity in large-format additive manufacturing”的论文发表在《Additive Manufacturing》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104612

大幅面增材制造（LFAM）技术能够直接打印用于航空航天、汽车和国防工具的米级结构。然而，由于内部孔隙率（或称空隙）会削弱打印部件的强度，LFAM 的广泛应用受到了阻碍。降低孔隙率是提高强度、耐用性和整体性能的关键。

ORNL的研究人员采用了一种新颖的真空辅助挤压方法来解决这一挑战：在挤出过程中集成一个真空料斗，以去除滞留的气体，并最大限度地减少纤维增强材料中的空隙形成。这些材料因其高刚度和低热膨胀性而被广泛应用于LFAM，但通常会受到珠内孔隙率的影响，从而限制零件质量。

测试结果表明，无论纤维含量如何变化，新系统都能够通过调控各种加工参数、水分含量、纤维增强材料和打印平台下将成形孔隙率降低到2%以下。具体来说，在大型挤出机上打印时，与传统的非真空挤出相比，真空辅助挤出可将内部孔隙率降低 35% 至 75%，并且仅影响长度> 2 微米的孔隙。ORNL的Vipin Kumar表示：“利用这项创新技术，我们不仅解决了大规模聚合物打印中孔隙率这一关键问题，还为制造更坚固的复合材料铺平了道路。这对LFAM行业来说是一个重大的飞跃。”

虽然目前的方法是为批量处理而设计的，但ORNL 已经开发出一种正在申请专利的连续真空料斗，未来有望在商业系统上实现大规模 3D 打印。这一进展代表着在克服大规模3D打印面临的关键技术挑战之一方面取得了重大进展。通过解决孔隙率问题，真空辅助挤压技术可以帮助提高工业应用中大型打印部件的强度、耐用性和性能。