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            固體環氧樹脂在3D打印中的應用,及改善各向同性的研究

            時間:2022-06-17

            固體環氧樹脂被廣泛用于3D打印,適用于生產各種功能化的組件。南極熊根據一名叫Reginald Davey的科學撰稿人,對3D打印的理解進行整編。本文將著眼于這些樹脂在增材制造中的應用,以及最近關于改善其各向同性性能,關于制造具有增強溫度和應變檢測能力的材料的研究。


            △淺析固體環氧樹脂在3D打印中的應用。


            環氧樹脂和增材制造


            增材制造是一項創新技術,正在顛覆多個行業和研究領域。與傳統制造方法相比,3D打印技術具有多種優勢,例如減少浪費、更自由的設計、低成本、快速生產、小批量生產和集成組裝等等。

            環氧樹脂作為材料適用于許多設備和組件。例如傳統工藝下的汽車零部件、印刷電子材料、涂料、粘合劑和纖維增強等復合材料。


            △環氧樹脂用于3D打印的準備階段示意圖。圖片來自Google


            3D打印環氧樹脂,由于樹脂成本低和能夠快速生產復雜幾何形狀,而具有優于傳統材料的優勢。固化、樹脂的類型、光引發劑和固化劑的作用,以及打印部件的性能等技術,是研究這些先進材料的關鍵要素。優化打印工藝和材料特性,對于提高3D打印環氧樹脂基材料和組件的商業可行性至關重要。

            各向同性材料


            在各向同性材料中,在多個方向進行測試時,材料特性保持不變。這些材料與各向異性材料不同,各向異性材料在多個方向測試時具有不同的特性。各向同性材料的示例包括金屬、塑料和玻璃等。在表現出各向異性行為的環氧樹脂等材料中,誘導各向同性是材料學研究中的一個重要方向,以生產具有增強機械性能和功能性的組件。

            材料擠壓3D打印


            一種廣泛用于3D打印的材料擠壓 (MEX)工藝,也稱為熔融沉積成型或熔融長絲制造。
            在材料擠出中,環氧樹脂長絲可以很容易地處理,因為它以固體形式存在。相比之下,選擇性激光燒結中使用的粉末和立體光刻中,使用的樹脂通常有害,需要小心處理,并具對存儲都有一定的專業要求。此外,與其他方法相比,材料擠出工藝可以處理更廣泛的材料,包括熱塑性塑料。



            △固體環氧樹脂在3D打印中的應用示意圖。圖片來自Google


            材料擠出工藝也比其他方法更具成本效益,并且可以使用多個擠出噴嘴輕松實現多材料打印。擠出材料可以用其他材料進行功能化,而不受其他技術(例如選擇性激光打?。μ砑觿┑南拗?。

            然而,MEX工藝受到打印材料沉積后固化過快的阻礙。薄弱的界面結合是由層和填充線之間的擴散,以及纏結限制引起的。這種技術具有局限性,需要采用不同的技術來克服它們。


            △MEX工藝用固體環氧樹脂示意。圖片來自德魯克,S等人文獻


            MEX優化方法


            在已知的研究中,已經探索了幾種方法來解決MEX打印材料的機械各向異性。
            通過優化打印速度、層高和寬度以及溫度等參數,以實現盡可能強的層粘合。同時,可以使用組件的最佳方向。這些方法的缺點是它們必須單獨執行,而且設計自由度受到限制。

            其他方法還包括優化材料的特性和制造流程??梢該饺胫T如碳納米管之類的樹脂填料,隨后使用微波輻射來加熱,并促進聚合物鏈擴散,達到改善層與層之間粘附性的作用。

            一些研究報告了使用伽馬輻射來誘導長絲中的交聯性,而其他研究則使用激光來誘導每一層的熱能并改善層間粘合。但以上方式是在不考慮成本的情況下進行的,需要復雜的設備和較多的處理步驟。

            在MEX打印環氧樹脂材料中實現各向同性


            熱固性材料是另一種在MEX打印中實現各向同性的方法。根據3D打印的一項最新研究報告表示,首次可在低成本MEX打印機上打印熱固性聚合物長絲。該技術的特點是采用后固化工藝,它可以誘導交聯,從而克服MEX打印過程中產生的機械各向異性。


            △3D打印壓電材料的打印階段。圖片來自Google


            研究人員已將具有高分子量的固體環氧樹脂用于材料配方中。將帶有添加劑的液態環氧樹脂加入到材料配方中,從而實現功能性材料多功能一體化。

            作者在材料中加入了單壁碳納米管,可提供導電性,他們還表示,3D打印材料中還可以加入其他特性的樹脂填料,如阻燃、抗靜電等,為多種應用提供了機會。

            通過在樹脂中填入導電填料,可以打印出具有傳感能力的組件,例如壓電傳感器。此外,使用碳納米管可以將溫度傳感能力整合到智能組件中。目前已對MEX打印的溫度和應變傳感功能化材料進行了概念性驗證研究。

            這些發現確定了進一步的研究方向,包括需要進一步研究傳感能力以及關注材料的電各向異性、可重復性和材料中不同填料負載的影響。這些研究證明了3D打印在開發具有卓越性能組件方面的潛力,并可能應用于各種先進的電氣設備。

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