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3D打印碳納米管與聚合物復(fù)合材料的焊接

2017-08-25 15:54:26 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)易新聞分享至：

從航空航天國防領(lǐng)域到數(shù)碼牙科和醫(yī)療設(shè)備，3D打印的部件用于各種行業(yè)。目前，3D打印部件非常脆弱，而且多用于產(chǎn)品材料設(shè)計(jì)的原型階段或制作玩具模型。德州農(nóng)工大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生率先推出了一種改變3D打印當(dāng)前境況的對(duì)策。

化學(xué)工程系副教授，布蘭登？斯威尼及其顧問米卡恩？格林（Micah Green）博士發(fā)現(xiàn)了一種使3D打印部件更強(qiáng)，更直接在實(shí)際應(yīng)用中有用的方法。斯威尼和格林應(yīng)用傳統(tǒng)的焊接概念，將微波中的3D打印部件中的亞毫米層粘合在一起。

斯威尼在位于馬里蘭州的阿伯丁試驗(yàn)場陸軍研究實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，開始使用3D打印材料。

“我能夠看到這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力，例如采用這種方法可加快制造時(shí)間，使我們的CAD設(shè)計(jì)能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。”斯威尼表示。“不幸的是，我們都知道這些部件均存在強(qiáng)度不足的問題，因此無法再實(shí)際應(yīng)用中使用。”

3D打印的物件均由一層一層的薄層材料組成，使用的材料或聚合物沉積在彼此之上，形成所需的形狀。但這些薄層容易發(fā)生斷裂，在實(shí)際使用時(shí)，會(huì)引起部件的耐久性和可靠性的問題。

“我知道幾乎整個(gè)行業(yè)都面臨著這個(gè)問題，”斯威尼表示，“目前，原型零件可以進(jìn)行3-D打印，來觀察零件是否符合某種設(shè)計(jì)，但實(shí)際上除此之外，它們并不能滿足更多的應(yīng)用。”

當(dāng)斯威尼開始博士學(xué)位時(shí)，他正在與德克薩斯理工大學(xué)化學(xué)工程系的格林一起工作。格林一直與德克薩斯理工大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系助理教授穆罕默德？薩義德博士合作，研究了使用微波檢測碳納米管的項(xiàng)目。三人產(chǎn)生了一個(gè)想法，在3D打印部件中使用碳納米管，加上微波能量將各層的零件焊接在一起。“

基本思想是，3D打印部件不能簡單地放置在加熱箱中，因?yàn)椴牧系闹饕煞质撬芰希軣釙?huì)整體熔化。”斯威尼說，“我們意識(shí)到，我們需要借鑒傳統(tǒng)意義上用于焊接零件的概念，使用點(diǎn)熱源將零件的界面焊接在一起。這樣不會(huì)融化整個(gè)部件，而只是把熱量集中在你需要的地方。”

由于構(gòu)成3D打印部件的薄層非常微小，所以利用一種特殊材料來控制點(diǎn)熱源的加熱位置，并將薄層粘合在一起。斯威尼說：“我們所做的是利用3-D打印機(jī)的絲頭，將一層薄薄的碳納米管復(fù)合材料附著在外部。當(dāng)打印零件時(shí)，該薄層將嵌入塑料界面。然后我們把它放入微波爐中，我們?cè)谶@項(xiàng)研究中使用了一個(gè)更復(fù)雜的微波爐，并用紅外攝像機(jī)監(jiān)測溫度。

該技術(shù)正在申請(qǐng)專利，并得到了當(dāng)?shù)毓綞ssentium Materials的授權(quán)許可。這些材料是內(nèi)部生產(chǎn)的，此外它們還在設(shè)計(jì)打印機(jī)技術(shù)，將電磁焊接工藝納入3-D打印機(jī)內(nèi)部。在打印零件的同時(shí)，同步實(shí)現(xiàn)焊接。目前該技術(shù)正處于測試模式，該技術(shù)有潛力在對(duì)部件由強(qiáng)度需求的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)3D打印機(jī)領(lǐng)域使用。”

作為一名工程師，同時(shí)對(duì)零部件的力學(xué)性能格外關(guān)注，那么理論上3D打印部件所需的3D打印機(jī)技術(shù)都應(yīng)是這樣的。“斯威尼表示。

該團(tuán)隊(duì)最近在《科學(xué)進(jìn)展》中發(fā)表了一篇論文”通過局部誘導(dǎo)的微波加熱對(duì)3D打印碳納米管--聚合物復(fù)合材料的焊接“。

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