竹子还能FDM打印？葡萄牙研究人员将竹纤维结合ABS材料 3D打印以制造高强度零件
时间:2021-08-08 15:34 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
导读：2021年8月6日，来自阿威罗大学（Portguese University
ofAveiro）和阿威罗材料研究所（Aveiro Institute of
Materials）的研究人员开发了一种将竹纤维与ABS相结合的造出增材制造原料新方法，并将这种混合物3D打印成具有高强度、优异机械性能的部件。
研究团队采用两步反应过程，已经能够创造出一种全新的生物复合材料，使他们能够精确调整竹基材料的疏水性、密度和热质量。配制完成后，科学家们将这种材料用于3D打印样品，发现这一过程没有对材料的原始形态造成破坏，并且对制造的任何形状的部件都有强化作用。
△对竹纤维进行化学改性的过程的示意图。图片来自《Polymer Journal》
采用有机物填充的长丝
鉴于用天然填充物强化3D打印材料（如ABS）在成本、机械和可持续性方面的潜在优势，现在正在对如何才能最好地实现这一目标进行重大研究。在过去，像大米、椰子或大麻这样的植物成分曾被用来制造实验性的复合材料，但要实现填充物与基体的良好结合，以前被证明是很困难的。
就竹子本身而言，它是一种储量丰富且易于获得的原材料，现在在21个国家都有种植，而且它经常被用来建造房屋等建筑物和生产家庭用品。然而，就其性质而言，竹纤维是亲水的，而聚合物基质是疏水的，因此需要几个化学步骤才能将其整合到3D打印材料中。
在以前的研究中，研究人员已经证明了对竹纤维进行改性，例如当它们与聚丙烯（PP）结合形成增强型树脂时，可以提高其耐水性和机械性能。因此，本次葡萄牙阿威罗大学团队从他们的前辈那里获得灵感，开发了一种类似的方法，不过是将竹子处理成FDM长丝。
△科学家们的3D打印竹制品原型。图片来自《Polymer Journal》
竹纤维生物复合材料
为了配制出新型的生物复合材料，科学家们使用二异氰酸酯来改性竹子样品，发现它可以减少竹纤维的亲水性，并增强了它们与聚合物基质的亲和力。改性处理后，所得到的混合材料被清洗、干燥，并以5%的浓度与ABS混合，然后被挤压成可打印的3D长丝。
在对他们的材料进行打印试验之前，研究人员使用SEM分析来评估他们的配备过程，并发现它已经去除任何纤维杂质，尽管是以一些密度为代价。此外，与未经处理的纤维制成的长丝相比，研究小组观察到他们的改性材料呈现出更光滑的表面，进一步提高了最终应用的潜力。
为了测试他们的材料的可加工性，该团队继续使用ANYCUBIC Chiron 3D打印机挤压成型出一组船桨状样品。有趣的是，用经过处理的纤维进行打印被发现会降低其热稳定性。不过研究人员指出其降解温度要普遍高于其加工温度，因此这并不影响打印模型的稳定性。
对处理过的纤维标本进一步成像显示，它们拥有增强的杨氏模量和减少的断裂伸长率，反映出它们的刚度有所提高。基于这些结果，研究小组推测，他们的方法证明了不仅有可能将竹子整合到可打印的聚合物中，而且可以通过调整它们的搭配方式不断制造出潜在的、有用的产品。
△竹纤维复合材料显微形貌
阿威罗大学研究团队在他们的论文中总结道："我们的结果证实，复合材料的可加工性并没有受到影响。使用经过处理的填充物也降低了材料的密度，而没有失去它们原本的机械性能。事实上，经过处理的纤维反而增强了3D打印标本的性能，这证明了化学处理的优势。一系列的结果表明，使用化学改性的竹纤维可以生产出更高质量的生物基3D打印材料。"
△木材正越来越多地被用作3D打印应用的生态友好型树脂添加剂。照片来自Forust
新兴的木材打印趋势
随着更广泛的3D打印行业继续寻找新的生态友好型聚合物丝的替代品，研究人员越来越多地将木质材料作为理想的答案。就在去年，弗莱堡大学的一个团队将有机木质素和纤维素化学品结合起来，创造出一种新型的可3D打印的生物合成聚合物。
在一个类似的基于木材料的制造案例中，德国联邦材料研究和测试所的科学家们，已经把白蚁和极不起眼的昆虫垃圾变成了他们所需的加工材料。通过将粉末状的木材与小动物的粪便相结合，该团队已经成功地生产出一种循环经济原料，能够产生高度精确的结构。
在更多的商业层面上，Desktop Metal还在2021年5月推出了其子公司Forust，这是一个专门用于粘结剂喷射的木质部件的品牌。该公司的生产过程与木材制造业和造纸业的废弃副产品兼容，一旦这些副产品与环氧树脂混合，就可以创造出3D打印材料。
研究人员的研究结果详见他们的论文，题为 "Chemicallymodified bamboo
fiber/ABS composites for high-quality additive manufacturing”，该论文由Nuno
Gama、Sandra Magina、Artur Ferreira和Ana Barros-Timmons共同撰写。
相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41428-021-00540-9
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