ORNL發(fā)明真空輔助擠壓技術(shù)，通過降低孔隙率實現(xiàn)更堅固的大幅面3D 打印

2025年5月8日，南極熊獲悉，來自橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的研究人員發(fā)明了一種真空輔助擠壓技術(shù)，可將大型 3D 打印聚合物部件的內(nèi)部孔隙率降低高達 75%。該方法解決了大幅面增材制造 (LFAM) 的一個重大限制：即內(nèi)部孔隙會影響打印部件的結(jié)構(gòu)完整性。

真空輔助擠壓技術(shù)在大規(guī)模增材制造中被廣泛應(yīng)用，以減少打印部件的孔隙率。圖片來源：Vipin Kumar/ORNL，美國能源部

相關(guān)研究以題為“Vacuum-assisted extrusion toreduce internal porosity in large-format additive manufacturing”的論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104612

大幅面增材制造（LFAM）技術(shù)能夠直接打印用于航空航天、汽車和國防工具的米級結(jié)構(gòu)。然而，由于內(nèi)部孔隙率（或稱空隙）會削弱打印部件的強度，LFAM 的廣泛應(yīng)用受到了阻礙。降低孔隙率是提高強度、耐用性和整體性能的關(guān)鍵。

ORNL的研究人員采用了一種新穎的真空輔助擠壓方法來解決這一挑戰(zhàn)：在擠出過程中集成一個真空料斗，以去除滯留的氣體，并最大限度地減少纖維增強材料中的空隙形成。這些材料因其高剛度和低熱膨脹性而被廣泛應(yīng)用于LFAM，但通常會受到珠內(nèi)孔隙率的影響，從而限制零件質(zhì)量。

測試結(jié)果表明，無論纖維含量如何變化，新系統(tǒng)都能夠通過調(diào)控各種加工參數(shù)、水分含量、纖維增強材料和打印平臺下將成形孔隙率降低到2%以下。具體來說，在大型擠出機上打印時，與傳統(tǒng)的非真空擠出相比，真空輔助擠出可將內(nèi)部孔隙率降低 35% 至 75%，并且僅影響長度> 2 微米的孔隙。

ORNL的Vipin Kumar表示：“利用這項創(chuàng)新技術(shù)，我們不僅解決了大規(guī)模聚合物打印中孔隙率這一關(guān)鍵問題，還為制造更堅固的復(fù)合材料鋪平了道路。這對LFAM行業(yè)來說是一個重大的飛躍。”

雖然目前的方法是為批量處理而設(shè)計的，但ORNL 已經(jīng)開發(fā)出一種正在申請專利的連續(xù)真空料斗，未來有望在商業(yè)系統(tǒng)上實現(xiàn)大規(guī)模 3D 打印。

這一進展代表著在克服大規(guī)模3D打印面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一方面取得了重大進展。通過解決孔隙率問題，真空輔助擠壓技術(shù)可以幫助提高工業(yè)應(yīng)用中大型打印部件的強度、耐用性和性能。