ORNL开发出高强度3D打印粘合剂

研究人员 在美国橡树岭国家实验室(ORNL)宣布,可以添加到3D打印材料和喷入与部分新颖的水溶性塑料粘合剂的发展“实力出众”。 

通过调整高胺含量、低分子量聚乙烯亚胺 (PEI),ORNL 团队已经能够调整其性能,使其强度与传统粘合剂相比增加一倍。为了展示他们的新材料的能力,科学家们已经用它来粘合和加强硅砂,然后将其 3D 打印成能够承受自身重量 300 倍的桥梁。 

“很少有聚合物适合作为这种应用的粘合剂,”该项目的主要研究人员之一 Tomonori Saito 说。“我们一直在寻找特定的特性,例如溶解度,这会给我们带来最好的结果。我们的主要发现在于我们的 PEI 粘合剂独特的分子结构,使其与氰基丙烯酸酯发生反应,从而实现卓越的强度。”

ORNL 科学家 Tomonori Saito 展示了使用新型粘合剂 3D 打印的沙堡。
ORNL 科学家 Tomonori Saito 展示了使用新型粘合剂 3D 打印的沙堡。照片来自 ORNL。

粘合剂喷射的工具潜力 

根据 ORNL 团队的说法,由于其广泛的粉末兼容性和可扩展的工作流程,粘合剂喷射“比行业使用的其他 3D 打印方法更便宜、更快”。特别是,研究人员认为该技术处理低成本沙子的能力是工业工具和模具高通量生产的理想选择。 

然而,科学家们也将绿色粘合剂喷射部件的机械弱点视为“主要瓶颈”,这阻碍了它们在该领域的广泛采用。在增强此类部件时,粘合剂是所用材料的重要元素,它决定了它们的整体强度,但这些材料的组成通常具有聚合物和沙子之间有限的相互作用,因此它们的阻力降低。 

“为了确保模具零件的精度,您需要一种在加工过程中不会改变形状的材料,这就是硅砂一直很有前景的原因,”田纳西大学学生和该研究的主要作者达斯汀吉尔默解释说。“挑战在于克服沙子部分的结构弱点。”

就现有的 3D 打印砂铸模具而言,该团队表示,它们的工业应用有限,因为一旦对它们施加热量和压力,它们就会破裂。为了能够生产更坚固、可扩展、最终使用的粘合剂喷射部件,ORNL 研究人员因此确定需要一种能够更好地将粘合剂和粉末融合在一起的材料。 

ORNL 团队的实验性粘合剂喷射工作流程。
ORNL 团队的实验性粘合剂喷射工作流程。图片来自自然通讯杂志。

块上的新活页夹? 

为了克服传统粘合剂的缺点,科学家们用含有大量碳氮胺的“超支化”PEI 创造了他们的粘合剂,使其能够实现强大的界面相互作用。该材料的结构也经过精心设计,使其具有低粘度、高溶解度和有限的结晶度,使其成为压电按需滴注粘合剂喷射的理想选择。

有趣的是,通过试验其粘合剂的 PEI 负载,该团队表示他们也能够优化其可印刷性,并实现“生坯强度的近线性增加”。通过原型设计,研究人员发现,使用 5.5% 的 PEI 浓度打印部件可为它们提供 6.28 MPa 的强度,远高于使用商业粘合剂所能达到的 3.60 MPa。 

由于粘合剂喷射部件的固有孔隙率,该团队还发现他们能够通过二次聚合物的集成来增加砂组件的强度。例如,通过添加氰基丙烯酸乙酯 (ECA),科学家们设法制造出一种可以 3D 打印成 6.5 厘米、弯曲强度为 53 MPa 的桥的材料,使其比实体材料更坚固。 

作为一个额外的好处,这种注入 ECA 的粘合剂也被证明是水溶性的,因此它的创造者说它可以有广泛的“冲洗工具”应用。具体而言,该团队预计此类设备在航空航天和国防工业中创建优化管道和夹层板方面具有巨大潜力,他们预计到 2025 年垂直行业的价值将增长到 70 亿美元。 

总的来说,Gilmer 认为 ORNL 团队创造的高强度聚合物砂复合材料,有效地“提高了可以用粘合剂喷射制造的零件的复杂性”,并能够生产复杂的空心形式,“扩大 [技术的] 应用用于制造、工具和建筑。”

自从推出粘合剂以来,它就获得了R&D 100 奖并获得了ExOne 的许可,继续用于研究目的。 

ORNL 科学家的 53 MPa 粘合剂喷射砂桥。
ORNL 科学家的 53 MPa 强度粘合剂喷射砂桥。照片来自 ORNL。

推进粘合剂喷射生产

今年早些时候Desktop Metal 收购 ExOne可能已经巩固了粘合剂喷射打印市场,但该技术也在其他地方继续取得进展,仅去年一年就取得了一些进展。 

例如,Voxeljet透露,它正在将其粘合剂喷射专业知识用于建造世界上最大的风力涡轮机 3D 打印机。新系统专门用于打印为GE 的 Haliade-X海上涡轮机铸造大幅面零件所需的模具,该涡轮机每个重达 60 吨。 

与此同时,GE Additive在其自己的H2 粘合剂喷射系统方面继续取得进展,该公司去年宣布与印第安纳经济发展公司(IEDC) 合作。通过这笔交易,这些组织同意共同投资该技术的研发,并释放其潜力,以促进该地区的工厂自动化以及提高其制造准备。 

在较小的范围内,总部位于英国的Meta Additive在开发其专有的粘合剂喷射技术方面也取得了进展。该公司在 2020 年 12 月获得了 120 万英镑的Innovate UK赠款,用于资助其高密度、低收缩工艺的研发,这家初创公司现在雄心勃勃地将其营销给汽车、航空航天和医疗客户。 

研究人员的发现在他们题为“由聚乙烯亚胺粘合剂实现的强硅砂结构的增材制造”的论文中有详细介绍,该论文由 Dustin B. Gilmer、Lu Han、Michelle L. Lehmann、Derek H. Siddel、Guang Yang 合着, Azhad U. Chowdhury、Benjamin Doughty、Amy M. Elliott 和 Tomonori Saito。 

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