3D打印碳纳米管与聚合物复合材料的焊接

来源：网易新闻

从航空航天国防领域到数码牙科和医疗设备,3D打印的部件用于各种行业。目前,3D打印部件非常脆弱,而且多用于产品材料设计的原型阶段或制作玩具模型。德州农工大学材料科学与工程系博士生率先推出了一种改变3D打印当前境况的对策。

化学工程系副教授,布兰登•斯威尼及其顾问米卡恩•格林(Micah Green)博士发现了一种使3D打印部件更强,更直接在实际应用中有用的方法。斯威尼和格林应用传统的焊接概念,将微波中的3D打印部件中的亚毫米层粘合在一起。

斯威尼在位于马里兰州的阿伯丁试验场陆军研究实验室工作时,开始使用3D打印材料。

"我能够看到这项技术的巨大潜力,例如采用这种方法可加快制造时间,使我们的CAD设计能够在几个小时内实现。"斯威尼表示。"不幸的是,我们都知道这些部件均存在强度不足的问题,因此无法再实际应用中使用。"

3D打印的物件均由一层一层的薄层材料组成,使用的材料或聚合物沉积在彼此之上,形成所需的形状。但这些薄层容易发生断裂,在实际使用时,会引起部件的耐久性和可靠性的问题。

"我知道几乎整个行业都面临着这个问题,"斯威尼表示,"目前,原型零件可以进行3-D打印,来观察零件是否符合某种设计,但实际上除此之外,它们并不能满足更多的应用。"

当斯威尼开始博士学位时,他正在与德克萨斯理工大学化学工程系的格林一起工作。格林一直与德克萨斯理工大学电气和计算机工程系助理教授穆罕默德•萨义德博士合作,研究了使用微波检测碳纳米管的项目。三人产生了一个想法,在3D打印部件中使用碳纳米管,加上微波能量将各层的零件焊接在一起。"

基本思想是,3D打印部件不能简单地放置在加热箱中,因为材料的主要成分是塑料,受热会整体熔化。"斯威尼说,"我们意识到,我们需要借鉴传统意义上用于焊接零件的概念,使用点热源将零件的界面焊接在一起。这样不会融化整个部件,而只是把热量集中在你需要的地方。"

由于构成3D打印部件的薄层非常微小,所以利用一种特殊材料来控制点热源的加热位置,并将薄层粘合在一起。斯威尼说:"我们所做的是利用3-D打印机的丝头,将一层薄薄的碳纳米管复合材料附着在外部。当打印零件时,该薄层将嵌入塑料界面。然后我们把它放入微波炉中,我们在这项研究中使用了一个更复杂的微波炉,并用红外摄像机监测温度。

该技术正在申请专利,并得到了当地公司Essentium Materials的授权许可。这些材料是内部生产的,此外它们还在设计打印机技术,将电磁焊接工艺纳入3-D打印机内部。在打印零件的同时,同步实现焊接。目前该技术正处于测试模式,该技术有潜力在对部件由强度需求的各个工业领域和消费3D打印机领域使用。"

作为一名工程师,同时对零部件的力学性能格外关注,那么理论上3D打印部件所需的3D打印机技术都应是这样的。"斯威尼表示。

该团队最近在《科学进展》中发表了一篇论文"通过局部诱导的微波加热对3D打印碳纳米管--聚合物复合材料的焊接"。