کشف پلیمر جدید چاپ سه بعدی با استحکام فوق العاده

12 نوامبر 2021توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج

پلیمر جدیدی که در آزمایشگاه ملی Oak Ridge ساخته شده است، ماسه را برای کاربردهای تولید افزودنی تقویت می کند. یک پل شنی 6.5 سانتی متری با چاپ سه بعدی که در اینجا نشان داده شده است، 300 برابر وزن خود را نگه می دارد. اعتبار: داستین گیلمر/دانشگاه تنسی، ناکسویل

محققان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge وزارت انرژی، پلیمر جدیدی را برای اتصال و تقویت شن سیلیس برای تولید افزودنی جت بایندر، یک روش چاپ سه بعدی که توسط صنایع برای نمونه سازی و تولید قطعات استفاده می شود، طراحی کردند.پلیمر قابل چاپ ساختارهای شنی با هندسه های پیچیده و استحکام استثنایی را قادر می سازد – و همچنین محلول در آب است.

این مطالعه که در Nature Communications منتشر شده است، یک پل شنی چاپ سه‌بعدی را نشان می‌دهد که با 6.5 سانتی‌متر می‌تواند 300 برابر وزن خود را نگه دارد، شاهکاری شبیه به 12 ساختمان امپایر استیت که روی پل بروکلین نشسته‌اند.

فرآیند چاپ جت بایندر ارزان‌تر و سریع‌تر از سایر روش‌های چاپ سه‌بعدی مورد استفاده در صنعت است و امکان ایجاد ساختارهای سه‌بعدی از انواع مواد پودری را فراهم می‌کند و مزایایی در هزینه و مقیاس‌پذیری ارائه می‌دهد. این مفهوم از چاپ جوهر افشان سرچشمه می گیرد، اما به جای استفاده از جوهر، سر چاپگر یک پلیمر مایع را به بیرون پرتاب می کند تا یک ماده پودری مانند شن و ماسه را به هم متصل کند و یک طرح سه بعدی را لایه به لایه ایجاد کند. پلیمر صحافی چیزی است که به ماسه چاپی استحکام می بخشد.

این تیم از تخصص پلیمری برای ساخت یک چسب پلی اتیلن ایمین یا PEI استفاده کرد که استحکام قطعات شنی را در مقایسه با کلاسورهای معمولی دو برابر می کرد.

قطعات چاپ شده از طریق بایندر جت در ابتدا متخلخل هستند و زمانی که از بستر چاپ خارج می شوند. آنها را می توان با نفوذ در طرح با یک ماده فوق العاده چسب اضافی به نام سیانواکریلات که شکاف ها را پر می کند، تقویت کرد. این مرحله دوم افزایش مقاومت هشت برابری را در بالای پله اول ایجاد کرد و باعث شد کامپوزیت پلیمری ماسه ای قوی تر از هر مصالح ساختمانی دیگری از جمله سنگ تراشی باشد.

Tomonori Saito از ORNL، محقق اصلی این پروژه، گفت: پلیمرهای کمی برای استفاده به عنوان چسب برای این کاربرد مناسب هستند. ما به دنبال خواص خاصی مانند حلالیت بودیم که بهترین نتیجه را با سیانواکریلات برای دستیابی به استحکام استثنایی به ما بدهد  .

قطعات تشکیل‌شده با کلاس معمولی با مواد نفوذی مانند چسب فوق‌العاده متراکم‌تر می‌شوند، اما هیچ‌کدام به عملکرد چسب PEI نزدیک نشده‌اند. استحکام چشمگیر بایندر PEI از نحوه واکنش پلیمر به پیوند با سیانواکریلات در طول پخت ناشی می شود.

یکی از کاربردهای بالقوه برای شن و ماسه با استحکام فوق العاده، پیشبرد ابزارسازی برای تولید کامپوزیت است.

شن و ماسه سیلیس ماده ای ارزان و در دسترس است که در بخش های خودروسازی و هوافضا برای ایجاد قطعات کامپوزیتی مورد توجه قرار گرفته است. مواد سبک وزن، مانند فیبر کربن یا فایبرگلاس، به دور هسته های شنی چاپ سه بعدی یا “ابزار” پیچیده می شوند و با حرارت سخت می شوند. شن و ماسه سیلیس برای ابزار کاری جذاب است زیرا در هنگام گرم شدن تغییری نمی دهد و مزیت منحصر به فردی در ابزارهای قابل شستشو دارد. در کاربردهای کامپوزیت، استفاده از یک چسب محلول در آب برای تشکیل ابزارهای شن و ماسه بسیار مهم است، زیرا یک مرحله شستشوی ساده با آب لوله‌کشی را ممکن می‌سازد تا ماسه را از بین ببرد و یک فرم کامپوزیت توخالی ایجاد کند.

داستین گیلمر، دانشجوی مرکز تنسی بریدسن و نویسنده اصلی این مطالعه ، می‌گوید: “برای اطمینان از دقت در قطعات ابزار، به ماده‌ای نیاز دارید که در طول فرآیند تغییر شکل ندهد، به همین دلیل است که ماسه سیلیسی امیدوارکننده بوده است. چالش غلبه بر ضعف ساختاری در قطعات شنی بوده است.” قالب‌ها و هسته‌های ریخته‌گری شن و ماسه فعلی، کاربرد صنعتی محدودی دارند، زیرا روش‌های تجاری، مانند ابزار شستشو، حرارت و فشاری را اعمال می‌کنند که می‌تواند باعث شکستن یا شکست قطعات ماسه در اولین تلاش شود. قطعات شن و ماسه قوی تری برای پشتیبانی از تولید در مقیاس بزرگ و امکان تولید سریع قطعه مورد نیاز است.

گیلمر گفت: “کامپوزیت ماسه پلیمری با استحکام بالا، پیچیدگی قطعاتی را که می‌توان با روش‌های جت بایندر ساخت، افزایش می‌دهد، هندسه‌های پیچیده‌تری را امکان‌پذیر می‌کند، و کاربردها را برای ساخت، ابزارسازی و ساخت‌وساز گسترش می‌دهد.”

کلاسور رمان برنده جایزه 100 تحقیق و توسعه 2019 شد و توسط شریک صنعتی ExOne برای تحقیق مجوز دریافت کرده است.مقاله ژورنال با عنوان «ساخت افزودنی ساختارهای شن و ماسه سیلیس قوی فعال شده توسط بایندر پلی اتیلن ایمین» منتشر شده است.