近日德克薩斯農(nóng)工大學(xué)研究人員開發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，在3D打印熱塑性部件時(shí)，將碳納米管涂覆到打印細(xì)絲上并用微波加熱，最終得到高強(qiáng)度的“焊縫”。這種新技術(shù)解決了當(dāng)今3D打印面臨的最大問題——界面結(jié)合強(qiáng)度低。
技術(shù)創(chuàng)新第一步：在打印絲上涂覆納米管涂層
3D打印是一種制造熱塑性部件的新技術(shù)，打印噴頭處擠出連續(xù)的打印細(xì)絲，再進(jìn)行層間打印得到所需部件。然而，主要問題出在這些由細(xì)絲壘成的打印層之間結(jié)合太弱，導(dǎo)致成品的分層和機(jī)械故障。
德克薩斯農(nóng)工大學(xué)研究人員采用了新方法，在3D打印機(jī)細(xì)絲上涂覆多壁碳納米管（MWCNT）涂層，并用微波加熱，使每個(gè)結(jié)合面都能受熱，最后得到高強(qiáng)度材料。
技術(shù)創(chuàng)新第二步：局部誘導(dǎo)射頻焊接
他們采用了一項(xiàng)被稱為“局部誘導(dǎo)射頻（LIRF）焊接”的綠色新技術(shù)來“焊接”印刷中的熱塑性界面，這種新技術(shù)可將焊接斷裂強(qiáng)度提高275％。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員用富含多壁碳納米管的聚合物膜涂覆熱塑性細(xì)絲。一旦這些細(xì)絲被打印成宏觀結(jié)構(gòu)，這些碳納米管就分布在打印層間的界面處。當(dāng)處于微波環(huán)境時(shí)，富含碳納米管的界面被選擇性地加熱，碳納米管耐高溫保持原狀，但聚合物受熱熔化，向界面處流動。一旦冷卻回到室溫，聚合物體的結(jié)構(gòu)總體上得到強(qiáng)化。
新技術(shù)可帶來批量化生產(chǎn)
該團(tuán)隊(duì)還協(xié)同德克薩斯州Essential Materials和TriFusion LLC的科學(xué)家們一道開發(fā)新應(yīng)用，他們通過池浴法，在3D打印聚乳酸的給料口出給細(xì)絲涂覆上一層薄薄的多壁碳纖維“油墨”，這些油墨是通過在氯仿中超聲處理碳纖維/聚合物的混合物制得。最終他們得到了一種新的同軸細(xì)絲，并且通過在純聚合物芯上共擠出碳纖維熔融料生產(chǎn)出了類似的涂層長絲結(jié)構(gòu)。這意味著該項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)展化，實(shí)現(xiàn)材料的批量生產(chǎn)。
聚乳酸的熔點(diǎn)溫度較低，方便研究人員在標(biāo)準(zhǔn)的露天3D打印機(jī)的操作臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到的光學(xué)顯微鏡圖像顯示，打印結(jié)構(gòu)里確實(shí)包含碳纖維增強(qiáng)的界面。
新技術(shù)可解決形狀復(fù)雜的負(fù)載支撐結(jié)構(gòu)的制備難題
“高‘焊接’強(qiáng)度能為3D打印熱塑性塑料開辟更廣泛的應(yīng)用，” Green說道，“3D打印焊接強(qiáng)度的提高意味著，這些涂覆了多壁碳納米管的細(xì)絲被加熱后可使界面強(qiáng)度增強(qiáng)，甚至某些性能可以趕上用常規(guī)工藝制造出的材料，這可能使形狀復(fù)雜的負(fù)載支撐結(jié)構(gòu)的制造得以實(shí)現(xiàn)。”
研究人員在《先進(jìn)科學(xué)》中匯報(bào)了他們的工作成果，目前他們正試圖將射頻加熱硬件放入3D打印機(jī)中。
據(jù)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)Green透露，Essentium Materials和TriFusion LLC兩家公司已經(jīng)用這種技術(shù)開發(fā)出了商業(yè)化應(yīng)用，將這種3D印刷材料應(yīng)用在假肢之類的產(chǎn)品中。
資料來源：材料科技在線
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