實(shí)現(xiàn)各向異性強(qiáng)度！Hilgenberg推出等離子陶瓷噴嘴有望改變FFF 3D 打印

2023年8月6日，南極熊獲悉，希爾根伯格陶瓷公司（Hilgenberg Ceramics）旗下的 Alex Hilgenberg 與一家德國研究所合作，開發(fā)出了一種新型陶瓷噴嘴，可以對每個(gè)打印層進(jìn)行等離子活化處理。該工藝具有增強(qiáng)粘合性能、表面滅菌和添加導(dǎo)電層等優(yōu)勢。

研究人員的設(shè)計(jì)思路源于塑料表面的等離子活化技術(shù)，這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)在本研究中將其應(yīng)用于 FDM 3D 打印。所開發(fā)的陶瓷噴嘴由高純度氧化鋁 (Al2O3) 制成，本身是 3D 打印的，可確保長期介電性能并克服典型噴嘴的局限性。

△陶瓷等離子3D打印噴嘴。來源：Hilgenberg Ceramics

研究人員研發(fā)這款等離子噴嘴的目的是克服打印過程中的層粘附問題：在 FFF 3D 打印中，新層沉積在已經(jīng)稍微冷卻的前一層上。這種冷卻會阻礙各層之間的分子充分結(jié)合，從而使其成為FFF每層的弱點(diǎn)。這導(dǎo)致打印件的強(qiáng)度不可避免地具有各向同性。

Essentium的電磁3D打印工藝

過去曾有人嘗試克服這個(gè)問題，其中最引人注目的可能是Essentium 開發(fā)的電磁3D打印工藝，他們稱之為“FlashFuse Filament”。這個(gè)想法是讓電流通過絲材到達(dá)打印表面，在他們稱之為“熱焊接”的過程中沉積更多層時(shí)保持材料的高溫。具體的工作原理如下：

• 絲材具有獨(dú)特的涂層，其中含有碳納米管和其他導(dǎo)電特殊材料；
• 長絲以典型方式 3D 打印，通過熱端加熱并通過噴嘴擠出；
• 特殊涂層在擠出過程中通過塑料混合；
• 將電流施加到噴嘴；
• 噴嘴之間通過擠壓塑料和金屬印刷表面形成電路；
• 特殊材料中的電阻會產(chǎn)生熱量；
• 擠出的塑料在整個(gè)打印過程中保持在理想的溫度；
  

△Essentium電磁3D打印工藝概述

這個(gè)過程有許多重要的好處。首先，由于所有擠出的塑料都處于一定溫度，因此層之間的結(jié)合要牢固得多，因?yàn)樗芰峡梢员鹊湫偷摹袄錈帷睂哟蛴』旌细�多。其次，打印件不會變形，因�(yàn)樗芰显谡麄�(gè)打印過程中都保持在高溫下。碳納米管的另一個(gè)好處是顯著增加了材料的強(qiáng)度，并且與改進(jìn)的層粘合相結(jié)合，可以產(chǎn)生非常堅(jiān)固的印刷品。Essentium 聲稱某些零件的強(qiáng)度超過了注塑零件。這些印刷品很少會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

Essentium 的方法令人印象深刻，因?yàn)樗�完全不需要加熱室：您可以直接加熱塑料，而不是一個(gè)巨大的、幾乎是空的室。事實(shí)上，加熱塑料所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于加熱成型室所需的能量。而且也沒有熱身時(shí)間。然而遺憾的是，這種方法似乎并沒有流行起來。

△Essentium EM1，用于開發(fā)電磁 3D 打印工藝

Hilgenberg Ceramics的新型陶瓷等離子噴嘴

在本研究中，Hilgenberg開發(fā)的新型陶瓷等離子體活化方法似乎更實(shí)用并且可能更容易實(shí)施。研究人員意識到等離子體的應(yīng)用可以增加層的粘附力。顯然，這種方法已在其他工業(yè)應(yīng)用（例如包裝、塑料）中普遍使用了數(shù)十年。然而，此前從未將其應(yīng)用于3D打印。

△陶瓷等離子3D打印噴嘴結(jié)構(gòu)。來源：Hilgenberg Ceramics

它是如何工作的？其實(shí)很簡單。，通過在工具頭上添加一個(gè)專門設(shè)計(jì)的噴嘴。該噴嘴能夠產(chǎn)生小的等離子流。當(dāng)一層完成后，工具頭掃過前一層，用等離子體對其進(jìn)行處理。這會“激活”沉積層中的分子，使其更具粘合性。這使得各層的粘合更加恰當(dāng)，從而可以生產(chǎn)各向異性部件。

然而，噴嘴相當(dāng)復(fù)雜。它由陶瓷制成，涂有銅，帶有內(nèi)部電極。通過的空氣變成等離子射流，從噴嘴流出到沉積的聚合物上。研究人員必須將噴嘴做得非常小，才能適合典型的 FFF 3D 打印機(jī)。噴嘴的尺寸僅為40 x 20 x 20毫米，相當(dāng)微小。諷刺的是，事實(shí)證明，如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)必須通過 3D 打印出來。

噴嘴也主要由陶瓷 Al2O3 制成。這是因?yàn)樗芰蠂娮烊菀追e聚石墨沉積物，并失去其介電性能。然而，陶瓷噴嘴能夠毫無問題地運(yùn)行更長時(shí)間。研究小組發(fā)現(xiàn)，除了粘附之外，等離子噴嘴還可以蝕刻表面、對物體進(jìn)行消毒、清潔表面層等。

據(jù)悉，這種噴嘴設(shè)計(jì)將有望獲得專利，并最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外，這種方法的成本足夠低，未來有可能被整合到桌面 FFF 3D 打印機(jī)中，使其功能更加強(qiáng)大。