ORNL研究人員開發(fā)新型BJAM粘結劑，可3D打印出能承受自身重量300倍的砂橋

導讀：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)出一種能夠粘結硅砂材料的，且能夠為生坯提供良好強度的粘結劑是科學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劑來粘合和強化硅砂，并將其應用于增材制造中。目前，這種新型聚合物的主要應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構具有復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。打印機進料側的粉末，標記為 "沙子"，被逆向旋轉的打印機移動到構建側。標為 "沙子 "的打印機中的粉末被逆向旋轉的輥子移動到構建側。在每一層粘結劑沉積完畢后，構建側將被降低。沉積后，構建側將下降。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合情況，這使得粉床的顏色更深。c 用BJAM生產(chǎn)的復雜的自立沙子特征。用BJAM生產(chǎn)的復雜的自立沙子特征，顯示了（左）a板塊中的葉子結構和（右）b板塊中的葉子結構。圖中的葉子結構，以及（右）在一批沙子上打印的具有復雜特征的城堡，錯綜復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

粘結劑噴射

粘結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 結構，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，逐層構建 3D 設計。

該團隊利用聚合物專業(yè)知識設計了一種聚乙烯或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劑，例如在溶解度方面，這會給我們帶來最好的結果。當下，我們的主要發(fā)現(xiàn)是PEI介質的獨特分子結構。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，它的結構更密集，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用是開發(fā)用于制造復合材料的工具。一直以來，硅砂都是一種廉價且容易獲得的材料，它應用到汽車和航空領域生產(chǎn)復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生、該研究的主要作者達斯汀吉爾默醫(yī)學博士說：“將碳纖維或玻璃纖維等輕質材料包裹在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。在復合材料應用中，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雜性，從而可以實現(xiàn)更復雜的幾何形狀，并擴大制造、工具和建筑應用。

此外，這種新型粘結劑還在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。