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，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，生坯零件的機械缺陷一直是一個主要瓶頸，坯體成型后的低強度難以支撐后續(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，且能夠為生坯提供良好強度的粘結(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，橡樹嶺國家實驗室（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)用方向為粘合劑噴射制造，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械強度，此外，它還有一個顯著的特點——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打印機和固化過程。打印機進料側(cè)的粉末，標(biāo)記為 "沙子"，被逆向旋轉(zhuǎn)的打印機移動到構(gòu)建側(cè)。標(biāo)為 "沙子 "的打印機中的粉末被逆向旋轉(zhuǎn)的輥子移動到構(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)，提供成本和可擴展性優(yōu)勢。這個概念源于噴墨打印，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。

該團隊利用聚合物專業(yè)知識設(shè)計了一種聚乙烯或PEI粘合劑，通過粘合聚合物賦予打印砂強度。與傳統(tǒng)粘合劑相比，這款粘合劑將噴砂部件的強度提高了一倍。

通過粘合劑噴射打印的部件在從打印床上移除時最初是多孔的。可以通過使用一種稱為氰基丙烯酸酯的額外強力膠來填充設(shè)計，以填充間隙來加強它。第二步的強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）更堅固。

該項目的首席研究員、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（例如強力膠）制成部件，它的結(jié)構(gòu)更密集，但沒有一個達到接近 PEI 粘合性能的水平。 PEI 令人印象深刻的強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度

超高強度砂的一種潛在應(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3D打印的砂堡。圖片來源：橡樹嶺國家實驗室

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，并進行熱處理。在此過程中，硅砂有著絕佳的性能，因為它在加熱時不會改變其尺寸，而且它在可清洗工具方面具有獨特的優(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，因為它允許用水進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，主要是因為像那些傳統(tǒng)的商業(yè)方法在清洗過程中，施加的熱量和壓力可能會導(dǎo)致零件在第一次嘗試時破裂或失敗。因此，需要更堅固的模具來支持大規(guī)模制造并實現(xiàn)快速零件生產(chǎn)。

吉爾默則表示，這種新型高強度聚合物就很好的具備了這種成型和強化功能，增加了粘合劑噴射制造零件的復(fù)雜性，從而可以實現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，并擴大制造、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)百強獎，并獲得了行業(yè)合作伙伴ExOne的研究許可。