近日德克薩斯農工大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一項新技術(shù)，在3D打印熱塑性部件時(shí)，將碳納米管涂覆到打印細絲上并用微波加熱，最終得到高強度的“焊縫”。這種新技術(shù)解決了當今3D打印面臨的最大問(wèn)題——界面結合強度低。
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的打印細絲，再進(jìn)行層間打印得到所需部件。然而，主要問(wèn)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(xué)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(gè)結合面都能受熱，最后得到高強度材料。
技術(shù)創(chuàng )新第二步：局部誘導射頻焊接
他們采用了一項被稱(chēng)為“局部誘導射頻（LIRF）焊接”的綠色新技術(shù)來(lái)“焊接”印刷中的熱塑性界面，這種新技術(shù)可將焊接斷裂強度提高275％。
在他們的實(shí)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(guān)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(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(dòng)。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(shù)可帶來(lái)批量化生產(chǎn)
該團隊還協(xié)同德克薩斯州Essential Materials和TriFusion LLC的科學(xué)家們一道開(kāi)發(fā)新應用，他們通過(guò)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(guò)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(guò)在純聚合物芯上共擠出碳纖維熔融料生產(chǎn)出了類(lèi)似的涂層長(cháng)絲結構。這意味著(zhù)該項技術(shù)可以擴展化，實(shí)現材料的批量生產(chǎn)。
聚乳酸的熔點(diǎn)溫度較低，方便研究人員在標準的露天3D打印機的操作臺上進(jìn)行實(shí)驗。得到的光學(xué)顯微鏡圖像顯示，打印結構里確實(shí)包含碳纖維增強的界面。
新技術(shù)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(kāi)辟更廣泛的應用，” Green說(shuō)道，“3D打印焊接強度的提高意味著(zhù)，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(shí)現。”
研究人員在《先進(jìn)科學(xué)》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(lǐng)導Green透露，Essentium Materials和TriFusion LLC兩家公司已經(jīng)用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)出了商業(yè)化應用，將這種3D印刷材料應用在假肢之類(lèi)的產(chǎn)品中。
資料來(lái)源：材料科技在線(xiàn)
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