ORNL研究人员开发新型BJAM粘结剂，可3D打印出能承受自身重量300倍的砂桥

时间：2021-11-15 08:33 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：硅砂是一种很有吸引力的粉末材料，由于其低热膨胀系数（CTE）和低成本的特点，可使用粘合剂喷射增材制造（BJAM）工艺轻松加工，特别适合制作工具和模具。然而，生坯零件的机械缺陷一直是一个主要瓶颈，坯体成型后的低强度难以支撑后续的操作，这也阻碍了BJAM硅砂在模具中的广泛使用。所以，开发出一种能够粘结硅砂材料的，且能够为生坯提供良好强度的粘结剂是科学家们一直探索的话题。

2021年11月14日，橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员开发了一种新型聚合物粘结剂来粘合和强化硅砂，并将其应用于增材制造中。目前，这种新型聚合物的主要应用方向为粘合剂喷射制造，这是一种工业用于原型制作和零件生产的3D打印方法。通过这种聚合物粘合起来的打印砂结构具有复杂几何形状和很高的机械强度，此外，它还有一个显著的特点——可溶于水，这极大方便了打印模型的后处理流程。这篇研究发表在《Nature Communications》杂志上。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0

DOI：10.1038 /s41467-021-25463-0

△图：粘合剂喷射增材制造（BJAM）工艺和代表性的打印品。BJAM打印机和固化过程。打印机进料侧的粉末，标记为 "沙子"，被逆向旋转的打印机移动到构建侧。标为 "沙子 "的打印机中的粉末被逆向旋转的辊子移动到构建侧。在每一层粘结剂沉积完毕后，构建侧将被降低。沉积后，构建侧将下降。打印出来的零件在180℃下固化。打印过程中的粉床，显示了粘合剂与硅砂粉床的结合情况，这使得粉床的颜色更深。c 用BJAM生产的复杂的自立沙子特征。用BJAM生产的复杂的自立沙子特征，显示了（左）a板块中的叶子结构和（右）b板块中的叶子结构。图中的叶子结构，以及（右）在一批沙子上打印的具有复杂特征的城堡，错综复杂的特征印在沙坯上。

论文中还展示了一座6.5厘米长3D打印的砂桥，可承载其重量的300倍，这一壮举类似于在布鲁克林大桥上的盖了12座帝国大厦。

△3D打印砂桥；图片来源：Dustin Gilmer/田纳西大学

粘结剂喷射

粘结剂喷射打印过程比工业中使用的其他 3D 打印方法更便宜、更快，并且允许通过各种粉末材料创建 3D 结构，提供成本和可扩展性优势。这个概念源于喷墨打印，但打印头不是使用墨水，而是喷射液体聚合物来粘合粉末材料，例如砂子，逐层构建 3D 设计。

该团队利用聚合物专业知识设计了一种聚乙烯或PEI粘合剂，通过粘合聚合物赋予打印砂强度。与传统粘合剂相比，这款粘合剂将喷砂部件的强度提高了一倍。

通过粘合剂喷射打印的部件在从打印床上移除时最初是多孔的。可以通过使用一种称为氰基丙烯酸酯的额外强力胶来填充设计，以填充间隙来加强它。第二步的强度比第一步增加了八倍，使聚合物砂复合物比任何其他建筑材料和任何已知的建筑材料（包括砖石）更坚固。

该项目的首席研究员、ORNL的TomonoriSaito说：“很少有聚合物适合用来作为砂子打印的粘合剂。我们也一直在寻找具有某些特性的粘结剂，例如在溶解度方面，这会给我们带来最好的结果。当下，我们的主要发现是PEI介质的独特分子结构。传统粘合材料一般是使用渗透材料（例如强力胶）制成部件，它的结构更密集，但没有一个达到接近 PEI 粘合性能的水平。 PEI 令人印象深刻的强度源于聚合物在加工过程中与氰基丙烯酸酯反应的方式。”

新型聚合物的发现为3D打印砂子提供了卓越的强度

超高强度砂的一种潜在应用是开发用于制造复合材料的工具。一直以来，硅砂都是一种廉价且容易获得的材料，它应用到汽车和航空领域生产复合材料部件的潜力已经引起了人们的兴趣。

△TomonoriSaito在ORNL的能源制造示范设施部展示了一个3D打印的砂堡。图片来源：橡树岭国家实验室

田纳西州普雷迪逊中心的大学生、该研究的主要作者达斯汀吉尔默医学博士说：“将碳纤维或玻璃纤维等轻质材料包裹在3D 打印的砂芯或“工具”上，并进行热处理。在此过程中，硅砂有着绝佳的性能，因为它在加热时不会改变其尺寸，而且它在可清洗工具方面具有独特的优势。在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂制作砂具很重要，因为它允许用水进行简单的洗涤步骤以去除砂子，留下中空的复合材料形式。”

现有砂型铸造模具有在工业用途中受限，主要是因为像那些传统的商业方法在清洗过程中，施加的热量和压力可能会导致零件在第一次尝试时破裂或失败。因此，需要更坚固的模具来支持大规模制造并实现快速零件生产。

吉尔默则表示，这种新型高强度聚合物就很好的具备了这种成型和强化功能，增加了粘合剂喷射制造零件的复杂性，从而可以实现更复杂的几何形状，并扩大制造、工具和建筑应用。

此外，这种新型粘结剂还在2019年获得了年度研发百强奖，并获得了行业合作伙伴ExOne的研究许可。

(责任编辑：admin)

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