聚合物的发现为 3D 打印的沙子提供了卓越的强度

能源部橡树岭国家实验室的研究人员设计了一种新型聚合物来粘合和强化硅砂，以制造粘合剂喷射添加剂，这是一种工业用于原型制作和零件生产的 3D 打印方法。

允许可印刷聚合物 沙 具有复杂几何形状和非凡强度的结构 – 它们也可溶于水。

该研究发表在 自然通讯，展示了一座 3D 打印的沙桥，其尺寸为 6.5 厘米，可承载其重量的 300 倍，这一壮举类似于布鲁克林大桥上的 12 座帝国大厦。

这 活页夹 喷射打印过程比工业中使用的其他 3D 打印方法更便宜、更快，并且允许从各种粉末材料创建 3D 结构，提供成本和可扩展性优势。 这个概念源于喷墨打印，但打印头不是使用墨水，而是喷射液体聚合物来粘合粉末材料，例如沙子，逐层构建 3D 设计。 粘合聚合物赋予打印砂强度。

该团队利用聚合物专业知识设计了一种聚乙烯或 PEI 粘合剂，与传统粘合剂相比，该粘合剂将喷砂部件的强度提高了一倍。

通过粘合剂喷射打印的部件在从打印床上移除时最初是多孔的。 可以通过使用一种称为氰基丙烯酸酯的额外强力胶来填充设计，以填充间隙来加强它。 第二步的强度比第一步增加了八倍，使聚合物砂复合物比任何其他建筑材料和任何已知的建筑材料（包括砖石）更坚固。

“很少有聚合物适合作为这种应用的粘合剂。我们一直在寻找特定的特性，例如溶解度，这会给我们带来最好的结果。我们的主要发现是 PEI 导体的独特分子结构，这使得它该项目的首席研究员、ORNL 的齐藤 Tomonori 说。

由传统粘合材料组成的部件使用渗透材料（例如强力胶）制成的更密集，但没有一个达到接近 PEI 粘合性能的水平。 PEI 令人印象深刻的强度源于聚合物在加工过程中与氰基丙烯酸酯反应的方式。

超高强度砂的一种潜在应用是开发用于制造复合材料的工具。

硅砂是一种廉价且容易获得的材料，在汽车和航空领域用于生产复合材料部件已经引起了人们的兴趣。 碳纤维或玻璃纤维等轻质材料包裹在 3D 打印的砂芯或“工具”上，并进行热处理。 硅砂对工具很有吸引力，因为它在加热时不会改变其尺寸，而且它在可清洗工具方面具有独特的优势。 在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂形成砂具很重要，因为它允许用自来水进行简单的洗涤步骤以去除砂子，留下中空的复合材料形式。

田纳西州普雷迪逊中心的大学生、该研究的主要作者达斯汀吉尔默医学博士说。

现有砂型铸造模具有限 工业用途 因为商业方法，例如清洗工具，施加的热量和压力可能会导致零件在第一次尝试时破裂或失败。 需要更坚固的打磨零件来支持大规模制造并实现快速零件生产。

我们的高强度 聚合物 打磨化合物增加了可以使用粘合剂喷射方法制造的零件的复杂性，从而实现更复杂的几何形状，并扩大制造、工具和建筑应用，”吉尔默说。

该小说的封面已获得 2019 年的 R&D 100，并获得了行业合作伙伴 ExOne Research 的许可。

该期刊文章发表为“由聚乙烯胺粘合剂实现的强硅砂结构的附加制造”。