紐約大學工學院的材料工程師團隊研發出複合泡沫塑料纖維, 並獲得了可用商用印表機進行3D列印的工藝. 圖片來源: 紐約大學工學院
一個來自紐約大學工學院的材料科學家團隊已研發出第一個用於3D列印複合泡沫塑料的工藝, 這種複合材料可用於要求材料密度小但強度高的汽車, 飛機和船舶製造等領域. 他們的這一突破使製造商們能夠列印具備任何複雜形狀同時能在更深處承受應力的組件, 所以對於潛艇來說具有特別的應用前景.
複合泡沫塑料是一種混合了數十億微小中空玻璃或陶瓷球的環氧樹脂或塑料樹脂複合材料, 這一複合材料具備卓越的浮力和強度, 廣泛用於詹姆斯•卡梅隆(James Cameron)的深海挑戰者(Deepsea Challenger)和下一代阿爾文(Alvin)深海探險者等潛艇.
在JOM發表的兩篇論文中, 機械和航天工程學院副教授Nikhil Gupta以及他在紐約大學工學院機械工程系複合材料與力學實驗室的學生研究人員, 和印度的合作者都報告說, 他們已研發出複合泡沫塑料纖維並可用商業印表機進行3D列印.
目前, 複合泡沫塑料部件是通過注塑成型生產, 部件之間必須使用粘合劑和緊韌體才能連接起來, 而這使得零部件易損. 3D列印也稱為增材製造, 允許製造商將複雜的零件(如車殼和內部結構)製成一體, 使其更加強韌. 由Gupta的博士生Ashish Kumar Singh領導的研究小組介紹了他們如何克服增材製造過程中的障礙, 例如微球在混合過程中粉碎以及微球堵塞印表機噴嘴的趨勢. 他們還展示了使複合泡沫塑料纖維環保的可回收性.
研究人員研發出通常用於製造工業級組件的高密度聚乙烯塑料 (HDPE) 的纖維, 以及由回收粉煤灰製成的微球體 (粉煤灰 - 煤炭燃燒產生的廢棄副產品-在合成泡沫塑料中也可以將有毒物質從垃圾填埋場中排出.
與印度Surathkal Karnataka國家技術研究院(NIT-K)的同事一同合作的Gupta說: '我們的重點是研發出一種利用商業印表機進行列印的纖維, 而不需改變印表機硬體. 影響列印過程的參數很多, 包括印版材料, 溫度和印刷速度. 探尋出最佳工藝參數是實現高質量列印的關鍵. '
機械和航空航天工程學副教授Nikhil Gupta(右)的博士生Ashish Kumar Singh(左)報告了複合泡沫塑料細絲的研究進展和利用商用印表機進行3D列印的相關工藝. 圖片來源: 紐約大學工學院
最近Gupta與行業合作夥伴合作建立了一種複合泡沫塑料的線上設計工具, 他解釋道, 研究中使用的空心球形顆粒的直徑僅為0.04mm至0.07mm. 這種尺寸和形狀的組合使微球可以流過1.7 mm 的3-D印表機噴嘴, 且不會阻塞材料流動.
他解釋說, 這一過程要求團隊在HDPE樹脂與易碎中空顆粒混合的過程中使顆粒破碎程度最小化, 從而得到低密度纖維.
Singh補充說: '我們希望儘可能多的添加空心顆粒以使材料更輕, 但顆粒數量的增多意味著將有更多的顆粒會在加工過程中破裂. 未破碎的中空顆粒在在細絲製造過程中, 或者在之後3-D列印過程中都需要大量的過程式控制制.
除去新工藝在製造複雜組件方面帶來的便利, 單是通過3-D列印技術生產的材料就具備與注塑成型所生產的材料相當的拉伸強度和密度.
Singh說: '結果表明, 3D列印所生產的複合泡沫塑料組件在性能上, 與相同材料通過最為常用的傳統注塑所生產的組件相當. '
Gupta表示, 包括紐約大學工學院的本科研究員Brooks Saltonstall, NIT-K的Balu Patil和Mrityunjay Doddamani, 以及來自德國克勞斯塔爾理工大學的訪問學生尼克拉斯•霍夫曼(Niklas Hoffmann)在內的這一小組, 現將專註於優化各種應用的材料性能, 例如能夠在特定深度運行的水下運載工具.
JOM 期刊登載了: '複合泡沫塑料增材製造第1部分: 纖維的研發, 性能和迴圈使用潛力;複合泡沫塑料增材製造第2部分: 試樣列印和機械性能表徵' .