竹子還能FDM打印？葡萄牙研究人員將竹纖維結合ABS材料 3D打印以制造高強度零件
時間：2021-08-08 15:34 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：2021年8月6日，來自阿威羅大學（Portguese University
ofAveiro）和阿威羅材料研究所（Aveiro Institute of
Materials）的研究人員開發了一種將竹纖維與ABS相結合的造出增材制造原料新方法，并將這種混合物3D打印成具有高強度、優異機械性能的部件。
研究團隊采用兩步反應過程，已經能夠創造出一種全新的生物復合材料，使他們能夠精確調整竹基材料的疏水性、密度和熱質量。配制完成后，科學家們將這種材料用于3D打印樣品，發現這一過程沒有對材料的原始形態造成破壞，并且對制造的任何形狀的部件都有強化作用。
△對竹纖維進行化學改性的過程的示意圖。圖片來自《Polymer Journal》
采用有機物填充的長絲
鑒于用天然填充物強化3D打印材料（如ABS）在成本、機械和可持續性方面的潛在優勢，現在正在對如何才能最好地實現這一目標進行重大研究。在過去，像大米、椰子或大麻這樣的植物成分曾被用來制造實驗性的復合材料，但要實現填充物與基體的良好結合，以前被證明是很困難的。
就竹子本身而言，它是一種儲量豐富且易于獲得的原材料，現在在21個國家都有種植，而且它經常被用來建造房屋等建筑物和生產家庭用品。然而，就其性質而言，竹纖維是親水的，而聚合物基質是疏水的，因此需要幾個化學步驟才能將其整合到3D打印材料中。
在以前的研究中，研究人員已經證明了對竹纖維進行改性，例如當它們與聚丙烯（PP）結合形成增強型樹脂時，可以提高其耐水性和機械性能。因此，本次葡萄牙阿威羅大學團隊從他們的前輩那里獲得靈感，開發了一種類似的方法，不過是將竹子處理成FDM長絲。
△科學家們的3D打印竹制品原型。圖片來自《Polymer Journal》
竹纖維生物復合材料
為了配制出新型的生物復合材料，科學家們使用二異氰酸酯來改性竹子樣品，發現它可以減少竹纖維的親水性，并增強了它們與聚合物基質的親和力。改性處理后，所得到的混合材料被清洗、干燥，并以5%的濃度與ABS混合，然后被擠壓成可打印的3D長絲。
在對他們的材料進行打印試驗之前，研究人員使用SEM分析來評估他們的配備過程，并發現它已經去除任何纖維雜質，盡管是以一些密度為代價。此外，與未經處理的纖維制成的長絲相比，研究小組觀察到他們的改性材料呈現出更光滑的表面，進一步提高了最終應用的潛力。
為了測試他們的材料的可加工性，該團隊繼續使用ANYCUBIC Chiron 3D打印機擠壓成型出一組船槳狀樣品。有趣的是，用經過處理的纖維進行打印被發現會降低其熱穩定性。不過研究人員指出其降解溫度要普遍高于其加工溫度，因此這并不影響打印模型的穩定性。
對處理過的纖維標本進一步成像顯示，它們擁有增強的楊氏模量和減少的斷裂伸長率，反映出它們的剛度有所提高。基于這些結果，研究小組推測，他們的方法證明了不僅有可能將竹子整合到可打印的聚合物中，而且可以通過調整它們的搭配方式不斷制造出潛在的、有用的產品。
△竹纖維復合材料顯微形貌
阿威羅大學研究團隊在他們的論文中總結道："我們的結果證實，復合材料的可加工性并沒有受到影響。使用經過處理的填充物也降低了材料的密度，而沒有失去它們原本的機械性能。事實上，經過處理的纖維反而增強了3D打印標本的性能，這證明了化學處理的優勢。一系列的結果表明，使用化學改性的竹纖維可以生產出更高質量的生物基3D打印材料。"
△木材正越來越多地被用作3D打印應用的生態友好型樹脂添加劑。照片來自Forust
新興的木材打印趨勢
隨著更廣泛的3D打印行業繼續尋找新的生態友好型聚合物絲的替代品，研究人員越來越多地將木質材料作為理想的答案。就在去年，弗萊堡大學的一個團隊將有機木質素和纖維素化學品結合起來，創造出一種新型的可3D打印的生物合成聚合物。
在一個類似的基于木材料的制造案例中，德國聯邦材料研究和測試所的科學家們，已經把白蟻和極不起眼的昆蟲垃圾變成了他們所需的加工材料。通過將粉末狀的木材與小動物的糞便相結合，該團隊已經成功地生產出一種循環經濟原料，能夠產生高度精確的結構。
在更多的商業層面上，Desktop Metal還在2021年5月推出了其子公司Forust，這是一個專門用于粘結劑噴射的木質部件的品牌。該公司的生產過程與木材制造業和造紙業的廢棄副產品兼容，一旦這些副產品與環氧樹脂混合，就可以創造出3D打印材料。
研究人員的研究結果詳見他們的論文，題為 "Chemicallymodified bamboo
fiber/ABS composites for high-quality additive manufacturing”，該論文由Nuno
Gama、Sandra Magina、Artur Ferreira和Ana Barros-Timmons共同撰寫。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41428-021-00540-9
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