新技术攻破3D打印塑料技术难题

　　近日德克萨斯农工大学研究人员开发出一项新技术，在3D打印热塑性部件时，将碳纳米管涂覆到打印细丝上并用微波加热，终得到高强度的“焊缝”。这种新技术解决了当今3D打印面临的大问题——界面结合强度低。
技术创新步：在打印丝上涂覆纳米管涂层
3D打印是一种制造热塑性部件的新技术，打印喷头处挤出连续的打印细丝，再进行层间打印得到所需部件。然而，主要问题出在这些由细丝垒成的打印层之间结合太弱，导致成品的分层和机械故障。
团队领导Micah Green解释说，“3D印刷的热塑性材料通常在垂直方向上强度比较低，因为每个打印层都不能和下面的那层紧密结合。简单的对结合面进行加热并不能解决问题，所以我们采用了新方法。我们在3D打印机细丝上涂覆多壁碳纳米管（MWCNT）涂层，并用微波加热，使每个结合面都能受热，后我们得到了高强度材料。”
技术创新第二步：局部诱导射频焊接
我们采用了一项被称为“局部诱导射频（LIRF）焊接”的绿色新技术来“焊接”印刷中的热塑性界面，这种新技术可将焊接断裂强度提高275％。
在他们的实验中，研究人员用富含多壁碳纳米管的聚合物膜涂覆热塑性细丝。 一旦这些细丝被打印成宏观结构，这些碳纳米管就分布在打印层间的界面处。当处于微波环境时，富含碳纳米管的界面被选择性地加热，碳纳米管耐高温保持原状，但聚合物受热熔化，向界面处流动。一旦冷却回到室温，聚合物体的结构总体上得到强化。
新技术可带来批量化生产
该团队还协同德克萨斯州Essential Materials和TriFusion LLC的科学家们一道开发新应用，他们通过池浴法，在3D打印聚乳酸的给料口出给细丝涂覆上一层薄薄的多壁碳纤维“油墨”，这些油墨是通过在氯仿中超声处理碳纤维/聚合物的混合物制得。终他们得到了一种新的同轴细丝，并且通过在纯聚合物芯上共挤出碳纤维熔融料生产出了类似的涂层长丝结构。这意味着该项技术可以扩展化，实现材料的批量生产。
聚乳酸的熔点温度较低，方便研究人员在标准的露天3D打印机的操作台上进行实验。得到的光学显微镜图像显示，打印结构里确实包含碳纤维增强的界面。
新技术可解决形状复杂的负载支撑结构的制备难题
“高 ‘焊接’强度能为3D打印热塑性塑料开辟更广泛的应用，” Green说道，“3D打印焊接强度的提高意味着，这些涂覆了多壁碳纳米管的细丝被加热后可使界面强度增强，甚至某些性能可以赶上用常规工艺制造出的材料，这可能使形状复杂的负载支撑结构的制造得以实现。”
新技术攻破3D打印塑料技术难题
研究人员在《先进科学》中汇报了他们的工作成果，目前他们正试图将射频加热硬件放入3D打印机中。
Green透露说，Essentium Materials和TriFusion LLC两家公司已经用这种技术开发出了商业化应用，将这种3D印刷材料应用在假肢之类的产品中。