紐約大學(xué)工學(xué)院的材料工程師團隊研發(fā)出復(fù)合泡沫塑料纖維，并獲得了可用商用打印機進行3D打印的工藝。圖片來源：紐約大學(xué)工學(xué)院
一個來自紐約大學(xué)工學(xué)院的材料科學(xué)家團隊已研發(fā)出第一個用于3D打印復(fù)合泡沫塑料的工藝，這種復(fù)合材料可用于要求材料密度小但強度高的汽車、飛機和船舶制造等領(lǐng)域。他們的這一突破使制造商們能夠打印具備任何復(fù)雜形狀同時能在更深處承受應(yīng)力的組件，所以對于潛艇來說具有特別的應(yīng)用前景。
復(fù)合泡沫塑料是一種混合了數(shù)十億微小中空玻璃或陶瓷球的環(huán)氧樹脂或塑料樹脂復(fù)合材料，這一復(fù)合材料具備卓越的浮力和強度，廣泛用于詹姆斯?卡梅隆(James Cameron)的深海挑戰(zhàn)者(Deepsea Challenger)和下一代阿爾文(Alvin)深海探險者等潛艇。
在JOM發(fā)表的兩篇論文中，機械和航天工程學(xué)院副教授Nikhil Gupta以及他在紐約大學(xué)工學(xué)院機械工程系復(fù)合材料與力學(xué)實驗室的學(xué)生研究人員，和印度的合作者都報告說，他們已研發(fā)出復(fù)合泡沫塑料纖維并可用商業(yè)打印機進行3D打印。
目前，復(fù)合泡沫塑料部件是通過注塑成型生產(chǎn)，部件之間必須使用粘合劑和緊固件才能連接起來，而這使得零部件易損。3D打印也稱為增材制造，允許制造商將復(fù)雜的零件(如車殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu))制成一體，使其更加強韌。由Gupta的博士生Ashish Kumar Singh領(lǐng)導(dǎo)的研究小組介紹了他們?nèi)绾慰朔霾闹圃爝^程中的障礙，例如微球在混合過程中粉碎以及微球堵塞打印機噴嘴的趨勢。他們還展示了使復(fù)合泡沫塑料纖維環(huán)保的可回收性。
研究人員研發(fā)出通常用于制造工業(yè)級組件的高密度聚乙烯塑料(HDPE)的纖維，以及由回收粉煤灰制成的微球體(粉煤灰 - 煤炭燃燒產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)品-在合成泡沫塑料中也可以將有毒物質(zhì)從垃圾填埋場中排出。
與印度Surathkal Karnataka國家技術(shù)研究院(NIT-K)的同事一同合作的Gupta說：“我們的重點是研發(fā)出一種利用商業(yè)打印機進行打印的纖維，而不需改變打印機硬件。影響打印過程的參數(shù)很多，包括印版材料，溫度和印刷速度。探尋出最佳工藝參數(shù)是實現(xiàn)高質(zhì)量打印的關(guān)鍵?！?/p>
機械和航空航天工程學(xué)副教授Nikhil Gupta(右)的博士生Ashish Kumar Singh(左)報告了復(fù)合泡沫塑料細絲的研究進展和利用商用打印機進行3D打印的相關(guān)工藝。圖片來源：紐約大學(xué)工學(xué)院
最近Gupta與行業(yè)合作伙伴合作創(chuàng)建了一種復(fù)合泡沫塑料的在線設(shè)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打印機噴嘴，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：“我們希望盡可能多的添加空心顆粒以使材料更輕，但顆粒數(shù)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制造過程中，或者在之后3-D打印過程中都需要大量的過程控制。
除去新工藝在制造復(fù)雜組件方面帶來的便利，單是通過3-D打印技術(shù)生產(chǎn)的材料就具備與注塑成型所生產(chǎn)的材料相當(dāng)?shù)睦鞆姸群兔芏取?/p>
Singh說：“結(jié)果表明，3D打印所生產(chǎn)的復(fù)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(tǒng)注塑所生產(chǎn)的組件相當(dāng)?！?/p>
Gupta表示，包括紐約大學(xué)工學(xué)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(xué)的訪問學(xué)生尼克拉斯?霍夫曼(Niklas Hoffmann)在內(nèi)的這一小組，現(xiàn)將專注于優(yōu)化各種應(yīng)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：“復(fù)合泡沫塑料增材制造第1部分：纖維的研發(fā)、性能和循環(huán)使用潛力;復(fù)合泡沫塑料增材制造第2部分：試樣打印和機械性能表征”。
