蓋世汽車訊 據外媒報道，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員設計了一種新型聚合物，以粘結并增強硅砂，用于粘合劑噴射式增材制造。這是一種3D打印方法，在工業中用于原型設計和生產部件。

（圖片來源：ORNL）

這種可打印聚合物能使砂結構具有復雜的幾何形狀和優異的強度，而且可溶于水。

這項研究展示了一座長6.5厘米的3D打印砂橋。該橋可以承受300倍于自身的重量，相當于12座帝國大廈坐落在布魯克林大橋上。

與工業中使用的其他3D打印方法相比，粘合劑噴射打印工藝成本更低、速度更快，因此可以利用各種粉狀材料來創建3D結構，在成本和可擴展性方面具有優勢。這一概念源于噴墨打印，但不是使用墨水。打印機頭會噴射出一種液體聚合物來粘合粉狀材料（如砂），然后逐層構建3D設計，并賦予其強度。

該團隊利用聚合物專業知識專門制做了一種聚乙烯亞胺(PEI)粘合劑。與傳統粘合劑相比，這種粘合劑可將砂件的強度提高一倍。

通過粘合劑噴射打印的部件，最初從打印床移出時是多孔的。通過滲透設計，額外加入一種名為氰基丙烯酸鹽的強膠材料，可以填補縫隙并提高強度。在第一步的基礎上，第二步的強度增加了8倍，使聚合物砂復合材料比其他任何已知的建筑材料(包括磚石)都更堅固。

該項目的首席研究員Tomonori Saito表示：“很少有聚合物適合用作此類應用的粘合劑。研究人員一直在尋找能實現最佳效果的特殊性質，比如溶解性。關鍵發現是，PEI粘合劑具有獨特的分子結構，可以與氰基丙烯酸鹽發生反應，以實現卓越的強度。”

用傳統粘合劑形成的部件，通過使用滲透材料（例如強膠），可以變得更致密，但無法與PEI粘合劑的性能相媲美。PEI粘合劑的高強度源于，這種聚合物在固化過程中與氰基丙烯酸鹽結合的反應方式。

超高強度砂的潛在應用之一是先進的復合材料制造模具。硅砂是一種容易獲得的低成本材料，在汽車和航空航天領域日益受到歡迎，可用于制造復合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纖維或玻璃纖維等輕質材料，然后加熱固化。硅砂比較適合用作模具，因其在加熱時不會改變尺寸，而且在可清洗模具中具有獨特的優勢。在復合材料應用中，使用水溶性粘合劑來構建砂模，具有重要意義，因為可通過自來水進行簡單的沖刷去除砂粒，留下中空的復合材料形式。主要研究人員Dustin Gilmer表示：“為了確保模具部件的精確度，需要一種在加工過程中不會改變形狀的材料，因此硅砂很被看好。挑戰在于克服砂件的結構弱點。”

目前的砂鑄造模具和砂芯的工業用途有限，因為諸如沖洗模具等商業方法所施加的熱量和壓力，可能在第一次嘗試時導致砂件破碎或直接失敗。為了支持大規模生產和快速生產，需要更加堅固的砂件。Gilmer表示：“這種高強度聚合物砂復合材料，提高了用粘合劑噴射方法制造的零部件的復雜性，可以實現更復雜的幾何形狀，并拓寬其在制造、加工和建筑領域的應用。”

這種新型粘合劑獲得了2019“R&D 100”大獎，并獲得了行業合作伙伴ExOne的研究許可。

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