Поділитись:

Методом 3D-друку: дослідники зміцнюватимуть пісок

Вівторок, 16 листопада 2021, 04:41

Дослідники з Національної лабораторії Оук Рідж Міністерство енергетики розробили новий полімер для зв’язування та зміцнення кремнієвого піску для виробництва сполучного струменя, методом 3D-друку, який використовується в промисловості для виготовлення деталей.

Про це пише сайт волинських новин Конкурент, посилаючись на Technology.org.

Полімер для друку дозволяє створювати піщані структури зі складною геометрією та міцністю, а також він є водорозчинним.

Дослідження, опубліковане в Nature Communications, демонструє надрукований на 3D-принтері піщаний міст, який має 6,5 сантиметрів і може витримувати вагу, що в 300 разів перевищує його власну, що є аналогічним 12 Empire State Buildings на Бруклінському мосту.

Процес друку на сполучному матеріалі є дешевший і швидший, ніж інші методи 3D-друку, які використовуються в промисловості, і дає змогу створювати 3D-структури з різноманітних порошкоподібних матеріалів, надаючи переваги у вартості та масштабності. Концепція походить від струменевого друку, але замість використання чорнила принтер випускає рідкий полімер, щоб зв’язати порошкоподібний матеріал, такий як пісок, створюючи шар за шаром трьохвимірний дизайн. Сполучний полімер – це те, що надає друкованому піску міцність.

Команда скористалася знаннями з полімерів, щоб створити поліетиленімін, сполучник, який подвоїв міцність піщаних частин у порівнянні зі звичайними сполучними компонентами.

Деталі, надруковані за допомогою струменевого друку спочатку є пористими, коли їх знімають із друкарського ложа. Їх можна зміцнити, просочивши конструкцію додатковим суперклейовим матеріалом під назвою ціанакрилат, який заповнює проміжки. Другий крок забезпечив восьмикратне збільшення міцності в порівнянні з першим кроком, зробивши композицію з полімерного піску міцнішим, ніж будь-який інший відомий будівельний матеріал, включаючи каміння.

«Кілька полімерів підходять для використання в якості сполучника для цього застосування. Ми шукали конкретну властивість, таку як розчинність, яка б дала нам найкращий результат. Наш ключовий висновок полягав у унікальній молекулярній структурі нашого сполучного PEI, що робить його хімічно активним з ціаноакрилатом для досягнення міцності», – сказав Томонорі Сайто з ORNL, провідний дослідник проєкту.

Деталі, сформовані звичайними сполучниками, ущільнюються за допомогою проникних матеріалів, таких як суперклей, але жодна з них не наближається до результату сполучного PEI. Виняткова міцність сполучного PEI пов’язана з тим, як полімер реагує на з’єднання з ціанакрилатом під час затвердіння.

Одним з можливих застосувань для надміцного піску є просування інструментів для виробництва композицій.

Кремнієвий пісок є дешевим, легкодоступним матеріалом, який набуває інтересу в автомобільній та аерокосмічній галузях для створення складних деталей. Легкі матеріали, такі як вуглецеве волокно або скловолокно, обертаються навколо 3D-друку на основі піску або «інструментів» і затверджуються за допомогою тепла. Кремнієвий пісок є придатним для інструментів, оскільки він не змінює розмірів при нагріванні й тому, він надає унікальну перевагу у митті інструментів. У композиційних застосуваннях використання водорозчинного в’яжучого для формування піщаних інструментів є важливим, оскільки воно дозволяє простим етапом промивання водопровідною водою видалити пісок, залишаючи порожнисту композиційну форму.

«Щоб забезпечити точність деталей інструменту, потрібен матеріал, який не змінює форму під час процесу, тому кремнієвий пісок є перспективним. Проблема полягала в подоланні структурної слабкості піщаних частин», – сказав Дастін Гілмер, студент Бредесенського центру університету Теннессі та провідний автор дослідження.

Теперішні форми для залиття піску мають обмежене промислове використання, оскільки комерційні методи, такі як інструмент для промивання, застосовують тепло та тиск, які можуть призвести до руйнування або виходу з ладу піщаних частин з першої спроби. Більш міцні деталі з піску необхідні для підтримки виробництва у великих масштабах і швидкого виробництва деталей.

«Наша високоміцна композиція з полімерного піску підвищує складність деталей, які можна виготовити за допомогою методів струювання сполучного матеріалу, що дозволяє створювати складніші геометрії та розширює можливості виробництва та будівництва», – сказав Гілмер.

Новаторство отримало нагороду R&D 100 Award у 2019 році та отримало ліцензію на дослідження від промислового партнера ExOne.

Стаття в журналі опублікована як «Доповнене виготовлення міцних структур із кремнієвого піску за допомогою поліетиленімінового сполучника».

Робота була спонсорована управлінням з енергоефективності та відновлюваної енергетики, а ресурси були використані за підтримки управління науки DOE.

UT-Battelle керує ORNL для міністерства енергетики, найбільшого прихильника фундаментальних досліджень у сфері фізичних наук у Сполучених Штатах. Відділ науки працює над вирішенням актуальних проблем нашого часу. Для отримання додаткової інформації відвідайте сайт energy.gov/science.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:

Надрукувати
мітки:
коментарів