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轻量化复合泡沫塑料3D打印技术的突破助力潜艇探寻更深处
发布时间:2018-02-12   浏览次数:219

纽约大学工学院的材料工程师团队研发出复合泡沫塑料纤维,并获得了可用商用打印机进行3D打印的工艺。图片来源:纽约大学工学院

一个来自纽约大学工学院的材料科学家团队已研发出第一个用于3D打印复合泡沫塑料的工艺,这种复合材料可用于要求材料密度小但强度高的汽车、飞机和船舶制造等领域。他们的这一突破使制造商们能够打印具备任何复杂形状同时能在更深处承受应力的组件,所以对于潜艇来说具有特别的应用前景。

复合泡沫塑料是一种混合了数十亿微小中空玻璃或陶瓷球的环氧树脂或塑料树脂复合材料,这一复合材料具备卓越的浮力和强度,广泛用于詹姆斯?卡梅隆(James Cameron)的深海挑战者(Deepsea Challenger)和下一代阿尔文(Alvin)深海探险者等潜艇。

在JOM发表的两篇论文中,机械和航天工程学院副教授Nikhil Gupta以及他在纽约大学工学院机械工程系复合材料与力学实验室的学生研究人员,和印度的合作者都报告说,他们已研发出复合泡沫塑料纤维并可用商业打印机进行3D打印。

目前,复合泡沫塑料部件是通过注塑成型生产,部件之间必须使用粘合剂和紧固件才能连接起来,而这使得零部件易损。3D打印也称为增材制造,允许制造商将复杂的零件(如车壳和内部结构)制成一体,使其更加强韧。由Gupta的博士生Ashish Kumar Singh领导的研究小组介绍了他们如何克服增材制造过程中的障碍,例如微球在混合过程中粉碎以及微球堵塞打印机喷嘴的趋势。他们还展示了使复合泡沫塑料纤维环保的可回收性。

研究人员研发出通常用于制造工业级组件的高密度聚乙烯塑料(HDPE)的纤维,以及由回收粉煤灰制成的微球体(粉煤灰 - 煤炭燃烧产生的废弃副产品-在合成泡沫塑料中也可以将有毒物质从垃圾填埋场中排出。

与印度Surathkal Karnataka国家技术研究院(NIT-K)的同事一同合作的Gupta说:“我们的重点是研发出一种利用商业打印机进行打印的纤维,而不需改变打印机硬件。影响打印过程的参数很多,包括印版材料,温度和印刷速度。探寻出最佳工艺参数是实现高质量打印的关键。”

机械和航空航天工程学副教授Nikhil Gupta(右)的博士生Ashish Kumar Singh(左)报告了复合泡沫塑料细丝的研究进展和利用商用打印机进行3D打印的相关工艺。图片来源:纽约大学工学院

最近Gupta与行业合作伙伴合作创建了一种复合泡沫塑料的在线设计工具,他解释道,研究中使用的空心球形颗粒的直径仅为0.04mm至0.07mm。这种尺寸和形状的组合使微球可以流过1.7 mm 的3-D打印机喷嘴,且不会阻塞材料流动。

他解释说,这一过程要求团队在HDPE树脂与易碎中空颗粒混合的过程中使颗粒破碎程度最小化,从而得到低密度纤维。

Singh补充说:“我们希望尽可能多的添加空心颗粒以使材料更轻,但颗粒数量的增多意味着将有更多的颗粒会在加工过程中破裂。未破碎的中空颗粒在在细丝制造过程中,或者在之后3-D打印过程中都需要大量的过程控制。

除去新工艺在制造复杂组件方面带来的便利,单是通过3-D打印技术生产的材料就具备与注塑成型所生产的材料相当的拉伸强度和密度。

Singh说:“结果表明,3D打印所生产的复合泡沫塑料组件在性能上,与相同材料通过最为常用的传统注塑所生产的组件相当。”

Gupta表示,包括纽约大学工学院的本科研究员Brooks Saltonstall,NIT-K的Balu Patil和Mrityunjay Doddamani,以及来自德国克劳斯塔尔理工大学的访问学生尼克拉斯?霍夫曼(Niklas Hoffmann)在内的这一小组,现将专注于优化各种应用的材料性能,例如能够在特定深度运行的水下运载工具。

来源:材料科技在线
 关键词:复合材料 | 3D打印
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