ORNL打印超強(qiáng)沙子結(jié)構(gòu)，已被ExOne使用

導(dǎo)讀：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室最近在Nature Communications上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了他們?cè)谡澈蟿﹪娚漕I(lǐng)域的最新3D打印成就。

研究人員展示了一種使用定制聚合物作為粘合劑打印硅砂結(jié)構(gòu)的快速且具有成本效益的方法。這些結(jié)構(gòu)已被證明能夠支撐300倍于自身重量的重量，根據(jù)ORNL的說法，這相當(dāng)于在布魯克林大橋上放上12座帝國大廈。事實(shí)上，這種結(jié)構(gòu)確實(shí)很像一座微型橋梁。

△3D打印沙子（圖片來源：ORNL）

粘合劑噴射工藝使用聚合物樹脂將物質(zhì)粘合在一起，文章中使用的新型聚合物被稱為聚乙烯亞胺(PEI)。與通常的粘合劑相比，它已被證明可將打印部件的強(qiáng)度提高一倍。ORNL研究人員一直在尋找特定的材料特性，例如溶解度，這可能會(huì)為粘合劑工藝帶來最好的結(jié)果。而PEI具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，能夠與氰基丙烯酸酯發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)卓越的強(qiáng)度。

通常，用粘合劑噴射制成的零件是多孔的，然后用氰基丙烯酸酯（強(qiáng)力膠）填充孔隙，增加零件的密度并增加強(qiáng)度。在PEI的強(qiáng)度已經(jīng)翻倍的基礎(chǔ)上，此步驟將零件強(qiáng)度再增加了八倍，而這種額外的強(qiáng)度增加來自PEI與膠水的反應(yīng)。與傳統(tǒng)粘合劑相比，新型砂材料的質(zhì)地強(qiáng)度為6.28MPa，在彎曲載荷方面比無鋼筋混凝土（~4.5 MPa）更強(qiáng)。

為什么要使用沙子呢？

沙子超級(jí)便宜且儲(chǔ)量豐富，可用于工業(yè)，特別是用于復(fù)合材料制造的工具。砂還具有出色的熱性能，在暴露于復(fù)合材料固化溫度時(shí)不會(huì)膨脹，因此即使在加熱時(shí)，制造商也能保持砂基模具的尺寸穩(wěn)定性。

由于PEI是水溶性的，制造工程師和技術(shù)人員可以在部件固化后簡單地取出、清洗，然后使用。砂芯會(huì)溶解，這降低了與模具/工具移除相關(guān)的勞動(dòng)力成本。

△過程圖（圖片來源：ORNL）

為了確保模具零件的精度，人們需要一種在加工過程中不會(huì)改變形狀的材料，這就是硅砂一直很有前途的原因?？朔匙硬糠值慕Y(jié)構(gòu)弱點(diǎn)是目前研究人員遇到的醉倒挑戰(zhàn)。尋找高強(qiáng)度聚合物砂復(fù)合材料能夠提高用于粘合劑噴射方法制造零件的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，并拓寬了制造、模具和建筑的應(yīng)用。

據(jù)了解，這種新材料已經(jīng)獲得了ExOne的授權(quán)，并將在他們的機(jī)器上使用。相信實(shí)際應(yīng)用的問世應(yīng)該不會(huì)太遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：Gilmer, D.B., Han, L., Lehmann,M.L. et al. Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled bypolyethyleneimine binder. Nat Commun 12, 5144 (2021).

文獻(xiàn)地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0