ORNL打印超強沙子結構，已被ExOne使用

導讀：美國橡樹嶺國家實驗室最近在Nature Communications上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了他們在粘合劑噴射領域的最新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構的快速且具有成本效益的方法。這些結構已被證明能夠支撐300倍于自身重量的重量，根據ORNL的說法，這相當于在布魯克林大橋上放上12座帝國大廈。事實上，這種結構確實很像一座微型橋梁。

△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，這可能會為粘合劑工藝帶來最好的結果。而PEI具有獨特的分子結構，能夠與氰基丙烯酸酯發(fā)生反應，從而實現卓越的強度。

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（強力膠）填充孔隙，增加零件的密度并增加強度。在PEI的強度已經翻倍的基礎上，此步驟將零件強度再增加了八倍，而這種額外的強度增加來自PEI與膠水的反應。與傳統(tǒng)粘合劑相比，新型砂材料的質地強度為6.28MPa，在彎曲載荷方面比無鋼筋混凝土（~4.5 MPa）更強。

為什么要使用沙子呢？

沙子超級便宜且儲量豐富，可用于工業(yè)，特別是用于復合材料制造的工具。砂還具有出色的熱性能，在暴露于復合材料固化溫度時不會膨脹，因此即使在加熱時，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，制造工程師和技術人員可以在部件固化后簡單地取出、清洗，然后使用。砂芯會溶解，這降低了與模具/工具移除相關的勞動力成本。

△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改變形狀的材料，這就是硅砂一直很有前途的原因。克服沙子部分的結構弱點是目前研究人員遇到的醉倒挑戰(zhàn)。尋找高強度聚合物砂復合材料能夠提高用于粘合劑噴射方法制造零件的復雜性，實現更復雜的幾何形狀，并拓寬了制造、模具和建筑的應用。

據了解，這種新材料已經獲得了ExOne的授權，并將在他們的機器上使用。相信實際應用的問世應該不會太遠。

參考文獻：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).

文獻地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25463-0