“3D打印聚合物”最新研究进展!

2021-11-22 11:36:01



3D打印,顾名思义,是一种可以制造三维物体的制造方式。3D打印又称增材制造(Additive Manufacturing,AM),对比传统制造方法(主要是减材制造即Subtractive Manufacturing)而言,3D打印在实现材料组分的可控调节和复杂结构的精确制造方面具有独特的优势;因而有不少学者相信,3D打印技术的兴起标志着第三次工业革命的开始,也必然会在未来制造业中占据越来越重要的地位。
但或许你对3D打印的印象还停留在模糊的概念阶段?3D打印的相关研究现在发展到什么程度,其原材料如何制备,制造方法如何开发,加工条件有何影响,又在哪些方面已经有了应用?希望《Advanced Industrial and Engineering Polymer Research》的最新一期“3D Printing of Polymers”特刊文章,可以让你一探究竟。
 
1,Laser sintering of polymer nanocomposites
综述:聚合物纳米复合材料的激光烧结
B.O. Sivadas, I. Ashcroft, A.N. Khlobystov, R.D. Goodridge
【简介】

激光烧结是一种常用的增材制造(AM)技术,适用于汽车行业、医疗保健和消费品等领域的各种应用。聚合物激光烧结除了具备适合终端使用零件生产的机械性能外,聚合物激光烧结还可以生产比许多其他AM技术更复杂的结构,因为它不需要支撑结构,而且零件可以堆叠在建造区域以进行更有效的处理。理论上,广泛的聚合物应该可以通过激光烧结来处理。然而,在实践中,情况并非如此,目前只有少数聚合物能够进行可靠和一致的处理。
本文综述了通过添加一系列有机和无机纳米填料来提高激光烧结聚合物的加工性能、力学性能和功能性方面的研究。它验证了关键的挑战,包括纳米相的分散,以及为克服它们而开发的方法。探讨了纳米相对可加工性的影响,以及关键加工参数的重要性。讨论了纳米复合材料粉末生产技术和零件表征的最新进展。重点介绍了激光烧结件的最终性能及其潜在的应用,并讨论了研究所目前面临的挑战和未来的潜在研究方向。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.003

2,Significant roles of 4D printing using smart materials in the field of manufacturing
综述:在制造领域利用智能材料进行4D打印的重要作用
Abid Haleem, Mohd Javaid, Ravi Pratap Singh, Rajiv Suman
【简介】

多年来,3D打印技术在工程和医疗领域取得了重大进展;还引进了4D打印,它是3D打印的高级版本。4D打印的过程是当打印的3D物体由于外部能量输入(如温度、光线或其他环境刺激)的影响而成为另一种结构。该技术利用了具有良好的形变能力的智能材料的输入。自组装和可编程材料技术旨在重新想象构建、生产、组装和产品性能。4D打印应用于工程、医学等各个领域。4D打印蛋白质或许是一项伟大的应用。在这个新的维度下,3D打印的物体可以在光、热、电、磁场等外部刺激的影响下自行改变形状。
本文对4D打印技术进行了简要的讨论。以图解的方式讨论了4D打印在制造业领域的各种特点、发展及其应用。概念化了4D增材制造的工作流程,并最终确定了4D打印在制造领域的十个主要作用。虽然可逆4D打印本身是一个奇妙的发展,但它是具有创新性的,在形变期间使用了耐用和准确的可逆变材料。它帮助我们创造传统制造技术无法轻易完成的复杂结构。它似乎是不同行业的游戏规则改变者,因为它依赖自然因素而不是能源,而且完全改变了生产、开发、捆绑和运输商品的方式。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.001

3,Role of additive manufacturing applications towards environmental sustainability
综述:增材制造应用对环境可持续性的作用
Mohd Javaid, Abid Haleem, Ravi Pratap Singh, Rajiv Suman, Shanay Rab
【简介】

增材制造(AM)利用其数据逐层生产复杂形状的产品,精度高,材料损耗少。与传统制造工艺相比,增材制造技术具有许多积极的环境优势。最重要的是,减少了原材料的浪费,使用了新的智能材料。它似乎专注于能够减少材料浪费、能源消耗和机器排放物组件的产出。有必要对增材制造技术及其应用的环境可持续性进行研究。随着越来越多的企业致力于加强他们的生态足迹,AM的可持续性正不断地获得动力。有远见的行业领导者不断地直面挑战,鼓励他们的员工找到新的方法来减少浪费,改善员工的制造环境,并找到使用新材料的创新方法,使其变得更具可持续性。这些举措推动了产品、商品和服务的增值。
本文讨论了增材制造在创建可持续生产系统方面的重大效益。最后,本文确定了AM在可持续性方面的12个主要应用。虽然增材制造和技术的主导地位正在关键行业中确立,但它们的可持续性优势在当前的制造场所中是显而易见的。主要目标是鉴定增材制造技术相对于传统制造的环境效益。现在各个行业可以决定适当的技术来满足环境目标。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.005

4,Pultrusion of hybrid bicomponent fibers for 3D printing of continuous fiber reinforced thermoplastics
研究论文:连续纤维增强热塑性塑料的3D打印用混合双组分纤维的拉挤
Nicole Aegerter, Maximilian Volk, Chiara Maio, Christoph Schneeberger, Paolo Ermanni
【简介】

连续晶格制造是一种新引入的纤维增强热塑性复合材料的增材制造方法,可以在需要的地方沉积材料。这项技术的成功在于一个打印头,在材料被挤压之前,未固结的连续纤维增强复合材料通过一个挤压模具沉积于平面之外,而不使用支撑结构。然而,最先进的复合原料,如混纺纱,由于其底层纤维结构,即热塑性纤维与增强长丝混合,在可达到的材料质量和部件尺寸方面存在局限性。混合双组分纤维克服了这些局限,因为每个单独的增强纤维都包覆在热塑性护套中。这样一来,就可以避免耗时的纤维浸渍步骤,这些步骤是会给孔隙含量和材料质量带来负面影响的。

本研究比较了混合双组份纤维和市售混纺纱在不同加工条件下的拉胶质量。介绍了在不同的模具填充度、模具温度和拉挤速度下,对直径为5 mm、含量50 ~ 60 % 玻璃纤维的聚碳酸酯复合材料型材进行拉挤试验。结果表明,由混合双组份纤维制成的拉胶比在相同条件下由混合纺丝制成的拉胶具有更低的空隙率。我们认为这是由于固结机制的差异造成的,在混合双组份纤维的情况下,与达尔西安流主导的混纺纱固结相比,主要是热塑性套的聚结。

https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.004

5,Two-component feedstock based on ultra-high molecular weight polyethylene for additive manufacturing of medical products
研究论文:用于医疗产品增材制造的基于超高分子量聚乙烯的双组分原料
S.VPaninD.GBuslovichYu.VDontsovL.AKornienko, V.O.Alexenko, S.A.Bochkareva, S.VShilko
【简介】
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有独特的性能,但熔体流量(MFR)极低,约为零,不适合用聚合物的标准方法进行处理。本文旨在研究不同等位PP含量的双组分UHMWPE基复合材料的摩擦学性质。复合材料采用三种方法制备:a)热压粉末混合物;b)颗粒热压缩;c)3D打印(FDM)。结果表明,通过挤压复合(颗粒热压缩和3D打印)得到的UHMWPE基复合材料在力学和摩擦性能(耐摩擦性、摩擦系数、杨氏模量和屈服强度)方面均优于热压粉末混合物制备的复合材料。在保持高摩擦和力学性能以及广泛的载荷范围内必要的熔体流量(MFR)方面,最有效的是“UHMWPE+20%PP”复合材料,被推荐作为骨科摩擦单元复合形状产品(关节部件)的原料。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.003

6,Development of material-adapted processing strategies for laser sintering of polyamide 12
研究论文:用于聚酰胺12激光烧结的材料适应性工艺策略的发展
S. Greiner, A. Jaksch, S. Cholewa, D. Drummer
【简介】

聚合物激光烧结(LS)是最有前途的增材制造技术之一,因为它可以制造具有高力学性能的复杂结构部件,而不需要额外的支撑结构。半结晶热塑性塑料,最好用于LS,需要在一定的表面温度范围内加工,使材料同时存在于熔融状态和固态。根据最常见的加工模式,这些高温在整个建造阶段都可保持。在目前的技术状态下,这将导致高冷却时间和延迟的组件可用性。
本文通过工艺自适应方法、现场实验和数值模拟,证明了基于加深模型理解的材料自适应性加工策略可以克服这一缺点。这些策略是基于聚酰胺12在高温和准等温加工条件下,在粉末床表面以下几层开始结晶和凝固的事实。因此,等温结晶和固结特性是通过适应过程的材料表征来分析的。分析了激光加工过程中温度场对零件截面、层数和加工参数的影响,并将其与加工后的零件性能进行了关联。此外,通过控制零件冷却来均匀化零件热记录的可能性,可通过模拟方法得到加强。作者指出,材料相关的凝固特性必须作为几何相关和层相关的温度场的函数来考虑,并证明了对材料和部件性能的主要影响。从这些发现看出,新的加工策略的激光曝光过程以及在z方向上成形室的温度控制,可以加速LS过程和更均匀部件性能的早期可用性。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.002

7,Three-dimensional printing of locally bendable short carbon fiber reinforced polymer composites
研究论文:局部可弯曲短碳纤维增强聚合物复合材料的3D打印
Masahito UedaYuuki WatanabeYoichi MukaiNobuhisa Katsumata
【简介】

局部可弯曲的固体板是在单一的3D打印操作中制造的,使用单一的材料,即短碳纤维增强塑料(CFRP)。局部可弯曲CFRP板包括实心和可弯曲部件,采用双级搭接结构无缝连接。可弯曲件采用平行十字结构,实心件采用100%填充结构。通过改变平行横截面结构的梁角可以控制其弯曲性能。与实心板相比,弯曲刚度降低了近98%。循环弯曲试验表明,局部可弯曲CFRP板具有可逆弯曲变形。弯曲刚度降低约8-14%。然而,即使经过100次弯曲变形,也没有观察到明显的损伤。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.02.004

8,Effects of deposition speed and extrusion temperature on fusion between filaments in single-layer polymer films printed with FFF
研究论文:沉积速度和挤压温度对FFF打印单层聚合物薄膜中细丝间融合的影响
Binghong Yin, Qinghao He, Lin Ye
【简介】
熔丝制造(FFF)是一种增材制造技术,其中熔丝以可控的方式沉积在之前沉积的熔丝上或相邻,导致结构部分的构建。本研究旨在利用印刷的单层薄膜来表征单个细丝之间的融合键合程度,这有助于理解过程-结构-性质关系,优化FFF过程中涉及的工艺参数(即沉积速度和挤压温度)。对于脆性聚乳酸(PLA)和球性聚丙烯(PP),使用不同挤压温度(200°C至260°C)和沉积速度(30mm/s至90mm/s)制备具有平行于沉积方向的尖锐裂纹的单层双边缘缺口拉伸(DENT)试样。描述了断裂韧性(Kc),定义为PLA脆性断裂临界载荷下的临界应力强度因子和断裂的具体基本工作(We),作为PP韧性韧性断裂韧性的指标。结果表明,该方法被证明是识别FFF过程中工艺参数对熔合键的影响的有效工具,显示了断裂韧性的强敏感性,无论是PLA的Kc 还是PP的We ,均可达到单丝之间融合粘接程度。
https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.002

期刊简介
Advanced Industrial and Engineering Polymer Research (AIEPR)
■ 聚合物领域英文期刊
■ 2021即时影响因子5.93(至2021年11月12日)
■ EI、SCOPUS、DOAJ、INSPEC数据库收录
■ ScienceDirect平台免费开放获取
■ 不收取版面费且对优秀文章给予丰厚的稿酬

期刊主页
http://www.aiepr-journal.com/
■ 多语言摘要展示
■ 专辑特刊及分主题文章收集
■ 聚合物相关国际会议/期刊影响因子信息库


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