利用超聲振動(dòng)技術(shù)打印ABS廢料，制造的部件抗壓強(qiáng)度可提高59%

2022年6月29日，南極熊獲悉，馬來(lái)西亞馬六甲工業(yè)大學(xué)(UTeM) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印機(jī)，它能夠使用可回收的ABS(塑料)制造出更具彈性的部件。

△研究人員的超聲波3D打印設(shè)備

通過(guò)將兩個(gè)壓電換能器，安裝到普通的FFF工藝3D打印機(jī)上，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一種可提高再生ABS性能強(qiáng)度的方法。

考慮到他們?cè)O(shè)計(jì)的有效性，制成的部件抗壓強(qiáng)度提高59%，該團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)變廢為寶，可以極大的減少?gòu)U棄長(zhǎng)絲對(duì)環(huán)境造成的破環(huán)。

FFF材料遇到的問(wèn)題
雖然3D打印通常被宣傳為比減材制造技術(shù)更節(jié)省材料，但它在某些特定的應(yīng)用中也存在一定的問(wèn)題。

正如大部分桌面3D打印機(jī)用戶(hù)都會(huì)遇到的情況，打印錯(cuò)誤既費(fèi)錢(qián)又耗時(shí)間，同時(shí)浪費(fèi)了大量的材料。鑒于這些塑料中的許多都被白白浪費(fèi)掉了，它們對(duì)環(huán)境污染也是一種危害。

其實(shí)制造商們，早已經(jīng)提出了可利用回收ABS這種解決方案。然而，正如UTeM團(tuán)隊(duì)在他們的論文中所強(qiáng)調(diào)的那樣，“以往的可再生ABS機(jī)械性能會(huì)顯著下降”。因?yàn)檫@種普通的可回物，使得打印構(gòu)建體的最終強(qiáng)度降低高達(dá)49%。

通過(guò)對(duì)回收的ABS進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種弱化是由于層間粘合不良造成的。這種分層會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部損壞，從而導(dǎo)致它們?cè)?D打印時(shí)失效，這是一種不成熟的解決方案。

△該團(tuán)隊(duì)的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

利用超聲振動(dòng)技術(shù)
介于以上原因，UTeM研究人員，開(kāi)發(fā)了自己的可回收材料。首先將ABS制成顆粒，然后將它擠出成1.75毫米的細(xì)絲，再使用裝有壓電換能器的原型FFF機(jī)器，將它制成3D打印樣品。該設(shè)備可使用超聲波振動(dòng)，提高構(gòu)建體的穩(wěn)定性。

盡管該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，噴嘴在230°C的溫度下，制造的初始模型存在表面缺陷，但工程師們將此參數(shù)提高到270°C ，并降低打印速度，發(fā)現(xiàn)可以糾正這些問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，將零件暴露在20kHz頻率的超聲波振動(dòng)中，可“大大提高了回收層的附著力”。

這證明了，在提高打印對(duì)象的彎曲強(qiáng)度和模量方面的情況，分別比未曝光部分高43%和53%。研究人員的結(jié)果，后來(lái)在拉伸強(qiáng)度測(cè)試中得到證實(shí)，其中在20kHz下處理的材料的強(qiáng)度為27.5MPa，比暴露在10kHz和完全未處理的材料高出約24%和19%。

在初步研究取得成功后，研究人員正計(jì)劃將他們的設(shè)計(jì)開(kāi)源。在此過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)，旨在盡可能地將超聲波換能器添加到FFF 3D打印機(jī)中，并幫助推動(dòng)采用可回收ABS，作為傳統(tǒng)一次性材料的最新替代方案。

△該研究結(jié)果，可在題目為“使用集成超聲波振動(dòng)開(kāi)源FDM打印機(jī),對(duì)回收ABS材料的力學(xué)性能研究 ”的論文中進(jìn)行了詳細(xì)了解（點(diǎn)我傳送門(mén)）

“總的來(lái)說(shuō)，我們的方法是為了更好的開(kāi)發(fā)打印材料的可行性，并借助超聲波振動(dòng)技術(shù)，它可以改善回收ABS的機(jī)械性能，”該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道。“這項(xiàng)研究，將擴(kuò)大可回收 ABS廢物的應(yīng)用范圍，同時(shí)為保護(hù)地球環(huán)境做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”

△使用超聲波3D打印工藝，制造的膝關(guān)節(jié)半月板

聲波在3D生物打印領(lǐng)域的其它應(yīng)用
UTeM團(tuán)隊(duì)，充分利用了超聲波在聚合物3D打印中的應(yīng)用，但早些時(shí)候，該技術(shù)更廣泛的用于3D 生物打印。2021年3月，巴斯大學(xué)和布里斯托大學(xué)的科學(xué)家們，提出了一種具有潛力的聲能驅(qū)動(dòng)生物打印工藝。

該技術(shù)讓人想起大約兩年前，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)的技術(shù)，該技術(shù)涉及使用超聲波，將細(xì)胞排列在3D生物打印凝膠中。與生物等效物相比，這項(xiàng)技術(shù)可以提高人工組織的保真度，未來(lái)可用于人體組織治療。