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竹子还能FDM打印?葡萄牙研究人员将竹纤维结合ABS材料 3D打印以制造高强度零件

时间:2021-08-08 15:34 来源:南极熊 作者:admin 阅读:
极光尔沃
    导读:2021年8月6日,来自阿威罗大学(Portguese University ofAveiro)和阿威罗材料研究所(Aveiro Institute of Materials)的研究人员开发了一种将竹纤维与ABS相结合的造出增材制造原料新方法,并将这种混合物3D打印成具有高强度、优异机械性能的部件。
   研究团队采用两步反应过程,已经能够创造出一种全新的生物复合材料,使他们能够精确调整竹基材料的疏水性、密度和热质量。配制完成后,科学家们将这种材料用于3D打印样品,发现这一过程没有对材料的原始形态造成破坏,并且对制造的任何形状的部件都有强化作用。
△对竹纤维进行化学改性的过程的示意图。图片来自《Polymer Journal》

采用有机物填充的长丝
    鉴于用天然填充物强化3D打印材料(如ABS)在成本、机械和可持续性方面的潜在优势,现在正在对如何才能最好地实现这一目标进行重大研究。在过去,像大米、椰子或大麻这样的植物成分曾被用来制造实验性的复合材料,但要实现填充物与基体的良好结合,以前被证明是很困难的。
     就竹子本身而言,它是一种储量丰富且易于获得的原材料,现在在21个国家都有种植,而且它经常被用来建造房屋等建筑物和生产家庭用品。然而,就其性质而言,竹纤维是亲水的,而聚合物基质是疏水的,因此需要几个化学步骤才能将其整合到3D打印材料中。
      在以前的研究中,研究人员已经证明了对竹纤维进行改性,例如当它们与聚丙烯(PP)结合形成增强型树脂时,可以提高其耐水性和机械性能。因此,本次葡萄牙阿威罗大学团队从他们的前辈那里获得灵感,开发了一种类似的方法,不过是将竹子处理成FDM长丝。
△科学家们的3D打印竹制品原型。图片来自《Polymer Journal》

竹纤维生物复合材料

为了配制出新型的生物复合材料,科学家们使用二异氰酸酯来改性竹子样品,发现它可以减少竹纤维的亲水性,并增强了它们与聚合物基质的亲和力。改性处理后,所得到的混合材料被清洗、干燥,并以5%的浓度与ABS混合,然后被挤压成可打印的3D长丝。

在对他们的材料进行打印试验之前,研究人员使用SEM分析来评估他们的配备过程,并发现它已经去除任何纤维杂质,尽管是以一些密度为代价。此外,与未经处理的纤维制成的长丝相比,研究小组观察到他们的改性材料呈现出更光滑的表面,进一步提高了最终应用的潜力。

为了测试他们的材料的可加工性,该团队继续使用ANYCUBIC Chiron 3D打印机挤压成型出一组船桨状样品。有趣的是,用经过处理的纤维进行打印被发现会降低其热稳定性。不过研究人员指出其降解温度要普遍高于其加工温度,因此这并不影响打印模型的稳定性。

对处理过的纤维标本进一步成像显示,它们拥有增强的杨氏模量和减少的断裂伸长率,反映出它们的刚度有所提高。基于这些结果,研究小组推测,他们的方法证明了不仅有可能将竹子整合到可打印的聚合物中,而且可以通过调整它们的搭配方式不断制造出潜在的、有用的产品。

△竹纤维复合材料显微形貌

阿威罗大学研究团队在他们的论文中总结道:"我们的结果证实,复合材料的可加工性并没有受到影响。使用经过处理的填充物也降低了材料的密度,而没有失去它们原本的机械性能。事实上,经过处理的纤维反而增强了3D打印标本的性能,这证明了化学处理的优势。一系列的结果表明,使用化学改性的竹纤维可以生产出更高质量的生物基3D打印材料。"

△木材正越来越多地被用作3D打印应用的生态友好型树脂添加剂。照片来自Forust

新兴的木材打印趋势

随着更广泛的3D打印行业继续寻找新的生态友好型聚合物丝的替代品,研究人员越来越多地将木质材料作为理想的答案。就在去年,弗莱堡大学的一个团队将有机木质素和纤维素化学品结合起来,创造出一种新型的可3D打印的生物合成聚合物。

在一个类似的基于木材料的制造案例中,德国联邦材料研究和测试所的科学家们,已经把白蚁和极不起眼的昆虫垃圾变成了他们所需的加工材料。通过将粉末状的木材与小动物的粪便相结合,该团队已经成功地生产出一种循环经济原料,能够产生高度精确的结构。

在更多的商业层面上,Desktop Metal还在2021年5月推出了其子公司Forust,这是一个专门用于粘结剂喷射的木质部件的品牌。该公司的生产过程与木材制造业和造纸业的废弃副产品兼容,一旦这些副产品与环氧树脂混合,就可以创造出3D打印材料。

研究人员的研究结果详见他们的论文,题为 "Chemicallymodified bamboo fiber/ABS composites for high-quality additive manufacturing”,该论文由Nuno Gama、Sandra Magina、Artur Ferreira和Ana Barros-Timmons共同撰写。

相关论文链接:https://www.nature.com/articles/s41428-021-00540-9

(责任编辑:admin)

weixin
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