近日,普渡大学Zucrow实验室的研究人员(世界上最大的学术推进实验室)开发出了一种新的工艺,可以3D打印极其粘稠的材料,如粘土或饼干面团。这种发展可能很快就会允许创建定制的陶瓷、固体火箭、制药、生物医学植入物、食品等等。
“我们可以打印出无人能够打印的材料,这是非常令人兴奋的。”机械工程学院助理研究教授Emre Gunduz说。“我们可以3D打印不同质地的食物;可以定制生物医学植入物,如陶瓷制成的牙冠,药房可以3D打印个性化药物,所以一个人只需要服用一粒药片即可,而不是10片。”
以前,制造商会改变材料的组成来制作可打印的粘性材料,但普渡大学的团队采用了完全不同的方法。
“3D打印最常见的形式是热塑性挤出,”Gunduz说。“对于原型来说,这通常是足够好的,但对于实际制造来说,您需要使用高强度材料,如陶瓷或含有大量固体颗粒的金属复合材料。这些材料的前体非常粘稠,而普通的3D打印机不能打印,因为它们不能通过小喷嘴推动。“
“我们发现,通过非常特殊的方式振动喷嘴,我们可以减少喷嘴壁上的摩擦力,并且材料很容易通过,”Gunduz说。
普渡大学的团队能够打印100微米精度的产品,并且仍然保持高打印率。
为了可视化3D打印过程,团队前往芝加哥郊外的阿贡国家实验室进行高速微观X射线成像。他们能够看到喷嘴内部,并第一次精确测量粘土状物质的流动。
“结果非常惊人,”Gunduz说。 “从来没有人用这种方式来描述通过通道的粘性流动,我们能够量化流量,并理解我们的方法实际上是如何工作的。”
这个新工艺的第一个实际应用是固体火箭燃料的打印。
“固体推进剂开始非常粘稠,就像饼干面团的稠度一样,”普渡大学航空航天学院候选人Monique McClain博士说。“打印非常困难,因为它可以随着时间的推移而固化,而且对温度也非常敏感,但是通过这种方法,我们实际上可以打印固体推进剂,与传统浇注方法相比,它们的燃烧性能相当。”
McClain通过打印两厘米样品,在高压容器(高达1,000磅/平方英寸)中点燃它们并通过慢动作视频来测试燃烧。
对于固体火箭燃料,3D打印提供了定制火箭几何形状并改变其燃烧的机会。McClain说:“我们可能希望某些部分的燃烧速度更快或更慢,或者中心燃烧速度比外部快。我们可以使用这种3D打印方法更精确地制作出来。”
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