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普度大学发明粘稠材料的3D打印办法

日期: 2018-06-22
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普渡大学的研究表明,现在可以高精度3D打印像黏土或饼干面团这样非常粘稠的材料。随着该技术的创新发展,不久就可以用于陶瓷、固体火箭、医药、生物医学植入物、食品等更多领域的定制生产。

普度大学发明粘稠材料的3D打印办法

机械工程学院的助理研究员Emre Gunduz说:“最令人兴奋的是,别人不能打印的材料,我们现在可以打印。我们可以通过3D打印定制不同材质的食物和生物医学植入物,如陶瓷质地的牙冠。药店可以根据每个病人的病情3D打印出个性化药品,今后病人不再需要服用那么多药丸,只服用一粒就可以药到病除。”

普渡大学将高振幅的超声波振动应用到3D打印机的喷嘴上,解决了困扰3D打印机制造商多年的问题。目前业界的大多数解决方案都是改变材料的组成,但普渡大学研究团队采取了完全不同的方法。

Gunduz说:“我们发现,通过特殊方式振动喷嘴可以减少材料与喷嘴壁的摩擦,材料就可以像蛇一样游走喷射。”

普渡大学的科研团队目前已经能够打印100微米精度的物品,并且同时保持高速打印。这要比大多数消费级的3D打印机好得多。

Gunduz 还说:“3D打印最常见的形式是热塑性挤出。对于样机展示来说,热塑性材料通常可以达到优良效果;但对于实际的生产,我们大都需要使用高强度的材料,如陶瓷或含有大量固体颗粒的金属复合材料。这些材料在熔融时非常粘稠,普通的3D打印机无法使用它们做打印材料,因为它们不能通过小喷嘴被喷射出。”

由于3D打印使用的材料是不透明的并且被隐藏在喷嘴内,因此很难将3D打印的过程可视化。于是,科研团队前往芝加哥郊外的阿贡国家实验室进行高速微观X射线成像。这样他们就能够看到喷嘴内部,并精确测量粘状物质的流量。

Gunduz 说:“这个结果振奋人心,因为从来没有人用这种方式来描述喷嘴内的粘性流动情况。我们能够以此量化流量,了解我们的实验实际上是如何工作的。”

这项研究正在普渡大学的Zucrow实验室进行,该实验室是全球最大的学术型喷气推进实验室。因此,正在探索的第一个实际应用是固体火箭燃料。

普渡大学的航空航天学院博士生Monique McClain说:“固体推进剂一开始黏度很大,就像饼干面团的黏度一样。但是采用了这种方法,我们就可以打印与传统铸造方法相当的固体推进剂。”

McClain通过打印两厘米的试样来测试燃烧,在高压容器(每平方英寸高达1000磅)中点燃它们,并分析燃烧的慢视频。

对于固体火箭燃料而言,3D打印可以定制火箭的几何外形并改变其燃烧状态。McClain说:“我们或许希望某些部位燃烧得更快或更慢,或者某些东西在中心的燃烧速度比周边快。我们可以用3D打印的方式更精确地控制局部燃烧速度。”

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