近日德克薩斯農工大學研究人員開發出一項新技術，在3D打印熱塑性部件時，將碳納米管涂覆到打印細絲上并用微波加熱，最終得到高強度的“焊縫”。這種新技術解決了當今3D打印面臨的最大問題——界面結合強度低。
技術創新第一步：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，打印噴頭處擠出連續的打印細絲，再進行層間打印得到所需部件。然而，主要問題出在這些由細絲壘成的打印層之間結合太弱，導致成品的分層和機械故障。
德克薩斯農工大學研究人員采用了新方法，在3D打印機細絲上涂覆多壁碳納米管（MWCNT）涂層，并用微波加熱，使每個結合面都能受熱，最后得到高強度材料。
技術創新第二步：局部誘導射頻焊接
他們采用了一項被稱為“局部誘導射頻（LIRF）焊接”的綠色新技術來“焊接”印刷中的熱塑性界面，這種新技術可將焊接斷裂強度提高275％。
在他們的實驗中，研究人員用富含多壁碳納米管的聚合物膜涂覆熱塑性細絲。一旦這些細絲被打印成宏觀結構，這些碳納米管就分布在打印層間的界面處。當處于微波環境時，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，聚合物體的結構總體上得到強化。
新技術可帶來批量化生產
該團隊還協同德克薩斯州Essential Materials和TriFusion LLC的科學家們一道開發新應用，他們通過池浴法，在3D打印聚乳酸的給料口出給細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絲，并且通過在純聚合物芯上共擠出碳纖維熔融料生產出了類似的涂層長絲結構。這意味著該項技術可以擴展化，實現材料的批量生產。
聚乳酸的熔點溫度較低，方便研究人員在標準的露天3D打印機的操作臺上進行實驗。得到的光學顯微鏡圖像顯示，打印結構里確實包含碳纖維增強的界面。
新技術可解決形狀復雜的負載支撐結構的制備難題
“高‘焊接’強度能為3D打印熱塑性塑料開辟更廣泛的應用，” Green說道，“3D打印焊接強度的提高意味著，這些涂覆了多壁碳納米管的細絲被加熱后可使界面強度增強，甚至某些性能可以趕上用常規工藝制造出的材料，這可能使形狀復雜的負載支撐結構的制造得以實現。”
研究人員在《先進科學》中匯報了他們的工作成果，目前他們正試圖將射頻加熱硬件放入3D打印機中。
據團隊領導Green透露，Essentium Materials和TriFusion LLC兩家公司已經用這種技術開發出了商業化應用，將這種3D印刷材料應用在假肢之類的產品中。
資料來源：材料科技在線
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