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弗吉尼亞理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出可用于太空的3D打印超強(qiáng)塑料

魔猴君  行業(yè)資訊   2611天前

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近日,弗吉尼亞理工學(xué)院和科學(xué)院研究人員組成的研究人員通過(guò)3D打印的方法制造了一種超高強(qiáng)度的聚合物材料,因?yàn)樗€在極端溫度下保持很好的機(jī)械性能,因此可以在空間中大量使用。

通過(guò)這種新穎的3D打印方式制造的塑料可用作隔離太空飛船和衛(wèi)星的高溫聚合物材料,這使得太空飛船和衛(wèi)星在極端的熱和冷的環(huán)境下仍然正常運(yùn)作。

該材料名為Kapton,由苯環(huán)內(nèi)的碳和氫組成的芳族聚合物,具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。Kapton最早是由美國(guó)杜邦公司(DuPont)生產(chǎn)的聚酰亞胺(PI)薄膜材料的商品名稱。PI20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的耐熱性較高的一類高分子材料,具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、堅(jiān)韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等。但由于分子結(jié)構(gòu),Kapton材料基本以薄膜的方式生產(chǎn)出來(lái),其他的任何形狀都難以生產(chǎn)。Kapton經(jīng)常用于航天器、衛(wèi)星和行星式飛輪的外包層的多層絕緣體,以保護(hù)它們免受極端的熱和冷的破壞。

工程學(xué)院和科學(xué)學(xué)院的研究人員能夠合成大分子,使它們保持穩(wěn)定,并保持其熱性能,從而適用于3D打印加工過(guò)程。理論上,這種高性能聚合物可以通過(guò)弗吉尼亞理工學(xué)院的3D打印技術(shù)形成任何形狀、尺寸或結(jié)構(gòu)。這使得這種材料的未來(lái)用途不限于航空航天工業(yè)。因?yàn)?,?dāng)前相同的材料可以適用于數(shù)十種電子設(shè)備,包括手機(jī)和電視機(jī)中的使用。

目前在三維打印領(lǐng)域中使用的材料在極端的空間環(huán)境中不具有高強(qiáng)度和剛度。通常,可3D打印的工程塑料在約華氏300度環(huán)境下開(kāi)始失去其機(jī)械強(qiáng)度。

研究團(tuán)隊(duì)表示,這種新型聚合物的機(jī)械性能可保持在680華氏度(約360攝氏度)以上。這種3D打印的材料具有與常規(guī)加工的薄膜Kapton材料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

高級(jí)制造系統(tǒng)高級(jí)研究員Williams說(shuō):“我們可以想象這種材料用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu),作為高溫過(guò)濾器或高溫流量噴嘴。通過(guò)3D打印的制造工藝可以提供的廣泛幾何形狀和微尺寸用來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。比如,一個(gè)更輕便的衛(wèi)星,一個(gè)提供最佳/高效流量的過(guò)濾器,一個(gè)具有設(shè)計(jì)流路的噴嘴,允許更大的退出速度和流體效率”。

 

Goodwin HallDREAMS Lab實(shí)驗(yàn)室,副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram3D打印設(shè)備前

 

弗吉尼亞理工學(xué)院的這一發(fā)現(xiàn)的確進(jìn)一步打開(kāi)了塑料與金屬競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)空間。在當(dāng)前的塑料替代金屬的努力中,3D打印領(lǐng)域的一大派系是復(fù)合塑料材料,如碳纖維增強(qiáng)塑料或者玻璃纖維增強(qiáng)塑料的3D打印。另一大派系是高強(qiáng)度塑料,如PEEK

 

在塑料的性能金字塔上,PI處于高于PEEK的位置

 

這其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料,這種PEKK材料“是一種具有卓越的強(qiáng)度、耐化學(xué)性、耐低溫和高溫、耐輻射性,以及優(yōu)異的耐磨損性能的超高性能聚合物”。由于具有這些令人印象深刻的特性,OPM將其與3D打印能夠制造具有獨(dú)特幾何形狀的物體的能力相結(jié)合,專門(mén)針對(duì)航空航天、運(yùn)送、能源、醫(yī)療及半導(dǎo)體領(lǐng)域提供低重量、高性能的3D打印部件。

針對(duì)航空航天及工業(yè)制造市場(chǎng),牛津性能材料還開(kāi)發(fā)了OXFAB 3D系列打印材料:OXFAB-NOXFAB-ESD。由于其惰性特點(diǎn),OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性以及定制電性能的能力,這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。在商業(yè)化方面,OPM已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件。

3D打印領(lǐng)域的科技獨(dú)角獸企業(yè)Carbon也推出了其氰酸酯樹(shù)脂材料,這種材料是一種琥珀色的透明樹(shù)脂。固化后具有光滑和光亮的表面(表面與PolyJet技術(shù)的打印表面相似),而且表面經(jīng)過(guò)拋光后會(huì)更光亮。另一方面,氰酸酯樹(shù)脂是一種具有熱變形溫度高達(dá)219°C的高性能材料。在高溫下保持良好的強(qiáng)度、剛度和長(zhǎng)期的熱穩(wěn)定性,適用于汽車(chē)和航空工業(yè)的模具和機(jī)械零件,例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的高溫環(huán)境應(yīng)用,以及電子和其他發(fā)熱工業(yè)部件。

無(wú)論是通過(guò)復(fù)合增強(qiáng)的方式提升塑料的性能,還是開(kāi)發(fā)新的高強(qiáng)度塑料,3D科學(xué)谷認(rèn)為塑料替代金屬的努力將繼續(xù)進(jìn)行,而3D打印與高強(qiáng)度塑料結(jié)合的價(jià)值在于,3D打印的自由曲面造型能力,這使得我們所熟悉的產(chǎn)品形狀以更加緊湊、高效能的方式上演著另一場(chǎng)“進(jìn)化論”。


來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng)

   
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