德州农工大学的研究人员与德克萨斯州3D打印机制造商Essentium的科学家合作，开发出了一种方法，可以更有效地将相邻层之间的3D打印零件焊接在一起。
该研究小组解释说，3D打印的一个 "弱点 "在于组成部件的各个打印层之间的不完美粘合。这可能会导致3D打印的塑料零件--从简单的玩具到定制的假肢零件--在机械上都很脆弱。
为了克服这个问题，德克萨斯农工大学和Essentium的科学家们将等离子体科学和碳纳米管技术集成到标准的3D打印中，以便更有效地焊接相邻的打印层。其结果是3D打印出的零件可靠性提高了。
"寻找一种方法来弥补打印层之间的粘合不足，一直是3D打印领域的一个持续探索。"Artie McFerrin化学工程系副教授Micah Green解释说。
"我们现在已经开发出了一种复杂的技术，可以在打印3D零件的同时，加强这些层之间的焊接。"
德州农工大学和Essentium的研究人员开发出了该技术，可以更有效地焊接相邻的3D打印层，提高了最终产品的可靠性。图片来源：Texas A&M。
改进层间融合工艺
塑料材料常用于FDM工艺，这是一种基于挤压的3D打印技术。FDM 3D打印是将熔融的塑料从喷嘴中挤出，逐层3D打印零件。当各层冷却下来后，它们融合在一起，形成最终的3D打印部件。
研究人员解释说，大量的研究表明，FDM工艺中的层层之间的连接并不完美。这导致3D打印出来的零件比注塑成型的相同零件要弱，因为在注塑成型中，熔化的塑料在冷却后会简单地形成预设的模具形状。
为了改善层层融合工艺，科学家团队解释说，需要额外加热。然而，当在类似于烤箱的腔体中加热3D打印的零件时，会产生明显的负面影响。"如果你把一个东西放在烤箱里，它会加热所有的东西，所以3D打印出来的零件可能会扭曲和熔化，失去形状，"Green说。"我们真正需要的是一些只加热打印层之间的界面而不是整个零件的方法。"
专注于促进层间的粘合，研究小组选择了利用碳纳米管和电。由于碳颗粒在电流的作用下加热，研究人员在每个打印层的表面都涂上了纳米材料。研究小组发现，碳纳米管涂层可以利用电流加热，使3D打印层有效地粘合在一起。
为了在3D打印时将电流施加到物体上，电流必须克服打印头和3D部件之间的微小空气空间。弥合空气间隙的一种方法是使用与3D打印件直接接触的金属电极，但Green表示，这可能会在不经意间对零件造成损坏。
与J. Mike Walker '66机械工程系副教授David Staack合作，研究小组选择了使用等离子体技术，将电荷带到打印出来的零件表面。利用这种技术，电流能够通过3D打印的零件，加热纳米管并将各层焊接在一起。
德州农工大学和Essentium的研究人员通过将等离子体技术和碳纳米管涂层热塑性材料部件加入到传统的3D打印机中，促进了这一过程。在使用他们的新技术测试了3D打印零件的强度后，研究人员发现，其强度可与注塑成型的零件相媲美。
"3D打印的圣杯一直是3D打印的圣杯，让3D打印零件的强度与注塑件相媲美。"Green说。"在这项研究中，我们成功地利用局部加热来强化3D打印零件，使其机械性能现在可以与注塑件相媲美。有了我们的技术，用户现在可以打印出一个定制的零件，就像一个单独定制的假肢一样，这种经过热处理的零件会比以前更坚固。"
截至Formnext 2019年，Essentium提供的材料 摄影：Beau Jackson
改进FDM的研究
关于这个项目的研究早在2017年就开始了，当时3D打印行业首次报道了德克萨斯农工大学与Essentium合作提高FDM 3D打印零件强度的研究。
此后，一些研究人员也开展了研究，考察了FDM 3D打印的不同方式来提高FDM 3D打印的强度。2019年年底，德国汉堡大学的研究人员提出了一种新颖的3D打印物体切片方式，以创造更平滑的结果。通过3D打印非平面层靠近水平面的方式，这种切片方法消除了FDM表面典型的阶梯效应。
另一篇论文还探讨了基于材料挤压的快速成型制造方法（ME-AM/FDM/FFF）需要进行必要的改进，以 "迎接复杂工业应用的挑战"。其中，研究人员重点研究了提高该技术对聚丙烯（PP）的加工能力。
这篇文章所讨论的研究报告 "Dielectric Barrier Discharge Applicator for Heating Carbon Nanotube-Loaded Interfaces and Enhancing 3D-Printed Bond Strength "发表在《Nano Letters》杂志上。作者是C. B. Sweeney、Matthew L. Burnette、Martin J. Pospisil、Smit A. Shah、Muhammad Anas、Blake R. Teipel、Bryan S. ZahnerBryan S. Zahner、David Staack和Micah J. Green。
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