蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型聚合物，以粘結(jié)并增強(qiáng)硅砂，用于粘合劑噴射式增材制造。這是一種3D打印方法，在工業(yè)中用于原型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部件。

（圖片來源：ORNL）

這種可打印聚合物能使砂結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的幾何形狀和優(yōu)異的強(qiáng)度，而且可溶于水。

這項(xiàng)研究展示了一座長(zhǎng)6.5厘米的3D打印砂橋。該橋可以承受300倍于自身的重量，相當(dāng)于12座帝國(guó)大廈坐落在布魯克林大橋上。

與工業(yè)中使用的其他3D打印方法相比，粘合劑噴射打印工藝成本更低、速度更快，因此可以利用各種粉狀材料來創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，在成本和可擴(kuò)展性方面具有優(yōu)勢(shì)。這一概念源于噴墨打印，但不是使用墨水。打印機(jī)頭會(huì)噴射出一種液體聚合物來粘合粉狀材料（如砂），然后逐層構(gòu)建3D設(shè)計(jì)，并賦予其強(qiáng)度。

該團(tuán)隊(duì)利用聚合物專業(yè)知識(shí)專門制做了一種聚乙烯亞胺(PEI)粘合劑。與傳統(tǒng)粘合劑相比，這種粘合劑可將砂件的強(qiáng)度提高一倍。

通過粘合劑噴射打印的部件，最初從打印床移出時(shí)是多孔的。通過滲透設(shè)計(jì)，額外加入一種名為氰基丙烯酸鹽的強(qiáng)膠材料，可以填補(bǔ)縫隙并提高強(qiáng)度。在第一步的基礎(chǔ)上，第二步的強(qiáng)度增加了8倍，使聚合物砂復(fù)合材料比其他任何已知的建筑材料(包括磚石)都更堅(jiān)固。

該項(xiàng)目的首席研究員Tomonori Saito表示：“很少有聚合物適合用作此類應(yīng)用的粘合劑。研究人員一直在尋找能實(shí)現(xiàn)最佳效果的特殊性質(zhì)，比如溶解性。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，PEI粘合劑具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，可以與氰基丙烯酸鹽發(fā)生反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)卓越的強(qiáng)度?！?/p>

用傳統(tǒng)粘合劑形成的部件，通過使用滲透材料（例如強(qiáng)膠），可以變得更致密，但無法與PEI粘合劑的性能相媲美。PEI粘合劑的高強(qiáng)度源于，這種聚合物在固化過程中與氰基丙烯酸鹽結(jié)合的反應(yīng)方式。

超高強(qiáng)度砂的潛在應(yīng)用之一是先進(jìn)的復(fù)合材料制造模具。硅砂是一種容易獲得的低成本材料，在汽車和航空航天領(lǐng)域日益受到歡迎，可用于制造復(fù)合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纖維或玻璃纖維等輕質(zhì)材料，然后加熱固化。硅砂比較適合用作模具，因其在加熱時(shí)不會(huì)改變尺寸，而且在可清洗模具中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在復(fù)合材料應(yīng)用中，使用水溶性粘合劑來構(gòu)建砂模，具有重要意義，因?yàn)榭赏ㄟ^自來水進(jìn)行簡(jiǎn)單的沖刷去除砂粒，留下中空的復(fù)合材料形式。主要研究人員Dustin Gilmer表示：“為了確保模具部件的精確度，需要一種在加工過程中不會(huì)改變形狀的材料，因此硅砂很被看好。挑戰(zhàn)在于克服砂件的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)?！?/p>

目前的砂鑄造模具和砂芯的工業(yè)用途有限，因?yàn)橹T如沖洗模具等商業(yè)方法所施加的熱量和壓力，可能在第一次嘗試時(shí)導(dǎo)致砂件破碎或直接失敗。為了支持大規(guī)模生產(chǎn)和快速生產(chǎn)，需要更加堅(jiān)固的砂件。Gilmer表示：“這種高強(qiáng)度聚合物砂復(fù)合材料，提高了用粘合劑噴射方法制造的零部件的復(fù)雜性，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，并拓寬其在制造、加工和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用?！?/p>

這種新型粘合劑獲得了2019“R&D 100”大獎(jiǎng)，并獲得了行業(yè)合作伙伴ExOne的研究許可。

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