研究人员创造了基于喷嘴的超快3D打印技术2020-05-09
西班牙的研究人员已经设计出一种使用静电射流偏转技术的亚微米级特征的超快3D打印方法。

正如详细讨论该新技术的论文所讨论的那样,作者解释说,他们创建了静电射流偏转方法,目的是克服现有增材制造技术在生产速度方面的局限性。从他们的测试中,研究人员发现,静电射流偏转可以通过以高达2000 Hz的逐层频率将纳米纤维彼此堆叠来3D打印具有亚微米级特征的物体。

达到的喷射速度和逐层频率相当于平面内打印速度高达0.5 m s -1 ,垂直方向的打印速度高达0.4 mm s -1 ,研究人员称其“比技术快三到四个数量级。提供相同的功能尺寸。”

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研究人员首先着手描述增材制造技术对当今生产的好处,并写道:“增材制造已成为定制产品分布式生产的新范式,在设计的几何自由度,材料利用率和铅含量方面均具有优势减少时间。”

尽管如此,为了改善现有的3D打印过程已经进行了许多研究。例如,奥地利的研究人员探索了基于材料挤压的增材制造方法(ME-AM / FDM / FFF)需要进行的必要改进,以“ 应对复杂的工业应用挑战 ”。其他研究则着眼于检查粘合剂喷射过程中快速打印速度的影响,特别是在表面粗糙度和密度均匀性方面。


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与许多旨在改善现有增材制造工艺的研究论文一样,此处的论文作者指出,当前的3D打印技术存在许多局限性,即生产速度,材料的可获得性和组合以及对材料的控制它们的微观结构以及功能。这组作者补充说:“此外,制造亚微米级特征的制造设备的成本和复杂性对于真正的分布式生产而言是令人望而却步的。”

尤其是,基于喷嘴的3D打印技术提供了“无与伦比的多功能性”工艺的一个很好的例子,因为它可以生产由不同程度的材料制成的物体,这些材料包括聚合物,金属,陶瓷,木材,甚至是生物组织。研究人员解释说:“这种无与伦比的材料多功能性源于金属或聚合物熔体或溶剂型油墨的使用,这些油墨可配制为包含离子,分子,纳米粒子甚至活细胞形式的任何组分。”


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然而,当前的基于喷嘴的3D打印技术相对较慢,具有有限的打印分辨率,这是因为打印线的宽度与通常大于几十微米的喷嘴孔的宽度相关。即使使用较小的喷嘴孔,该过程也易于频繁堵塞和高粘性损失。

作者提出,与其他基于喷嘴的3D打印方法相比,电液动力学(EHD)喷射策略特别适合高分辨率3D打印,正如ETHZürich的研究人员在2019年所证明的那样。喷嘴堵塞,因为它可以使用多种墨水从宽喷嘴孔产生纳米级喷嘴,粘度范围在几个数量级。”

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然而,由于电动喷射太快而不能被相对较慢的机械级精确地收集,因此尚未完全开发出EHD喷射以广泛使用。“当前基于EHD喷射的系统使用机械平台将材料定位在印刷基材上。然而,机械平台只能与长距离直线上的电喷头的巨大速度相匹配,而不能达到在打印较小的复杂图案时维持这种速度所需要的巨大加速度。”

为了克服EHD喷射过程的局限性,研究人员建议使用电极来改变电场。使用传统的EHD打印机,研究人员将电极放置在喷嘴周围,并控制其电压,以在不超过106 m s -2的横向加速度下连续调节其轨迹。这使射流具有超快的静电偏转能力,从而可以堆叠纳米纤维以打印具有亚微米级特征的3D对象。

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通过测试,研究人员能够通过分层沉积高度高达100 µm的材料以及极高的长宽比和高速进行3D打印对象:“快速喷射和这些高逐层层频率转换为印刷速度,面内最高可达0.5 ms -1 ,面外最高可达0.4 mm s -1 ,即在垂直方向上,比挤出和按需EHD所能达到的速度快三到四个数量级产生等效特征尺寸时的技术。”


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