橡树岭国家实验室开发新型聚合物粘合剂 以增强3D打印砂件强度

据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员设计了一种新型聚合物，以粘结并增强硅砂，用于粘合剂喷射式增材制造。这是一种3D打印方法，在工业中用于原型设计和生产部件。

（图片来源：ORNL）

这种可打印聚合物能使砂结构具有复杂的几何形状和优异的强度，而且可溶于水。

这项研究展示了一座长6.5厘米的3D打印砂桥。该桥可以承受300倍于自身的重量，相当于12座帝国大厦坐落在布鲁克林大桥上。

与工业中使用的其他3D打印方法相比，粘合剂喷射打印工艺成本更低、速度更快，因此可以利用各种粉状材料来创建3D结构，在成本和可扩展性方面具有优势。这一概念源于喷墨打印，但不是使用墨水。打印机头会喷射出一种液体聚合物来粘合粉状材料（如砂），然后逐层构建3D设计，并赋予其强度。

该团队利用聚合物专业知识专门制做了一种聚乙烯亚胺(PEI)粘合剂。与传统粘合剂相比，这种粘合剂可将砂件的强度提高一倍。

通过粘合剂喷射打印的部件，最初从打印床移出时是多孔的。通过渗透设计，额外加入一种名为氰基丙烯酸盐的强胶材料，可以填补缝隙并提高强度。在第一步的基础上，第二步的强度增加了8倍，使聚合物砂复合材料比其他任何已知的建筑材料(包括砖石)都更坚固。

该项目的首席研究员Tomonori Saito表示：“很少有聚合物适合用作此类应用的粘合剂。研究人员一直在寻找能实现最佳效果的特殊性质，比如溶解性。关键发现是，PEI粘合剂具有独特的分子结构，可以与氰基丙烯酸盐发生反应，以实现卓越的强度。”

用传统粘合剂形成的部件，通过使用渗透材料（例如强胶），可以变得更致密，但无法与PEI粘合剂的性能相媲美。PEI粘合剂的高强度源于，这种聚合物在固化过程中与氰基丙烯酸盐结合的反应方式。

超高强度砂的潜在应用之一是先进的复合材料制造模具。硅砂是一种容易获得的低成本材料，在汽车和航空航天领域日益受到欢迎，可用于制造复合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纤维或玻璃纤维等轻质材料，然后加热固化。硅砂比较适合用作模具，因其在加热时不会改变尺寸，而且在可清洗模具中具有独特的优势。在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂来构建砂模，具有重要意义，因为可通过自来水进行简单的冲刷去除砂粒，留下中空的复合材料形式。主要研究人员Dustin Gilmer表示：“为了确保模具部件的精确度，需要一种在加工过程中不会改变形状的材料，因此硅砂很被看好。挑战在于克服砂件的结构弱点。”

目前的砂铸造模具和砂芯的工业用途有限，因为诸如冲洗模具等商业方法所施加的热量和压力，可能在第一次尝试时导致砂件破碎或直接失败。为了支持大规模生产和快速生产，需要更加坚固的砂件。Gilmer表示：“这种高强度聚合物砂复合材料，提高了用粘合剂喷射方法制造的零部件的复杂性，可以实现更复杂的几何形状，并拓宽其在制造、加工和建筑领域的应用。”

这种新型粘合剂获得了2019“R&D 100”大奖，并获得了行业合作伙伴ExOne的研究许可。