實現各向異性強度！Hilgenberg推出等離子陶瓷噴嘴有望改變FFF 3D打印
時間：2023-08-07 13:47 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年8月6日，希爾根伯格陶瓷公司（Hilgenberg Ceramics）旗下的 Alex
Hilgenberg
與一家德國研究所合作，開發出了一種新型陶瓷噴嘴，可以對每個打印層進行等離子活化處理。該工藝具有增強粘合性能、表面滅菌和添加導電層等優勢。研究人員的設計思路源于塑料表面的等離子活化技術，這是一項成熟的技術，該團隊在本研究中將其應用于 FDM 3D 打印。所開發的陶瓷噴嘴由高純度氧化鋁 (Al2O3) 制成，本身是 3D 打印的，可確保長期介電性能并克服典型噴嘴的局限性。
△陶瓷等離子3D打印噴嘴。來源：Hilgenberg Ceramics
研究人員研發這款等離子噴嘴的目的是克服打印過程中的層粘附問題：在 FFF 3D 打印中，新層沉積在已經稍微冷卻的前一層上。這種冷卻會阻礙各層之間的分子充分結合，從而使其成為FFF每層的弱點。這導致打印件的強度不可避免地具有各向同性。
Essentium的電磁3D打印工藝
過去曾有人嘗試克服這個問題，其中最引人注目的可能是Essentium
開發的電磁3D打印工藝，他們稱之為“FlashFuse
Filament”。這個想法是讓電流通過絲材到達打印表面，在他們稱之為“熱焊接”的過程中沉積更多層時保持材料的高溫。具體的工作原理如下：
- 絲材具有獨特的涂層，其中含有碳納米管和其他導電特殊材料；
- 長絲以典型方式 3D 打印，通過熱端加熱并通過噴嘴擠出；
- 特殊涂層在擠出過程中通過塑料混合；
- 將電流施加到噴嘴；
- 噴嘴之間通過擠壓塑料和金屬印刷表面形成電路；
- 特殊材料中的電阻會產生熱量；
-
擠出的塑料在整個打印過程中保持在理想的溫度；
△Essentium電磁3D打印工藝概述
這個過程有許多重要的好處。首先，由于所有擠出的塑料都處于一定溫度，因此層之間的結合要牢固得多，因為塑料可以比典型的“冷熱”層打印混合更多。其次，打印件不會變形，因為塑料在整個打印過程中都保持在高溫下。碳納米管的另一個好處是顯著增加了材料的強度，并且與改進的層粘合相結合，可以產生非常堅固的印刷品。Essentium
聲稱某些零件的強度超過了注塑零件。這些印刷品很少會出現分層現象。
Essentium 的方法令人印象深刻，因為它完全不需要加熱室：您可以直接加熱塑料，而不是一個巨大的、幾乎是空的室。事實上，加熱塑料所需的能量遠遠少于加熱成型室所需的能量。而且也沒有熱身時間。然而遺憾的是，這種方法似乎并沒有流行起來。
△Essentium EM1，用于開發電磁 3D 打印工藝
Hilgenberg Ceramics的新型陶瓷等離子噴嘴
在本研究中，Hilgenberg開發的新型陶瓷等離子體活化方法似乎更實用并且可能更容易實施。研究人員意識到等離子體的應用可以增加層的粘附力。顯然，這種方法已在其他工業應用（例如包裝、塑料）中普遍使用了數十年。然而，此前從未將其應用于3D打印。
△陶瓷等離子3D打印噴嘴結構。來源：Hilgenberg Ceramics
它是如何工作的？其實很簡單。，通過在工具頭上添加一個專門設計的噴嘴。該噴嘴能夠產生小的等離子流。當一層完成后，工具頭掃過前一層，用等離子體對其進行處理。這會“激活”沉積層中的分子，使其更具粘合性。這使得各層的粘合更加恰當，從而可以生產各向異性部件。
然而，噴嘴相當復雜。它由陶瓷制成，涂有銅，帶有內部電極。通過的空氣變成等離子射流，從噴嘴流出到沉積的聚合物上。研究人員必須將噴嘴做得非常小，才能適合典型的
FFF 3D 打印機。噴嘴的尺寸僅為40 x 20 x 20毫米，相當微小。諷刺的是，事實證明，如此復雜的設計必須通過 3D 打印出來。
噴嘴也主要由陶瓷 Al2O3 制成。這是因為塑料噴嘴容易積聚石墨沉積物，并失去其介電性能。然而，陶瓷噴嘴能夠毫無問題地運行更長時間。研究小組發現，除了粘附之外，等離子噴嘴還可以蝕刻表面、對物體進行消毒、清潔表面層等。
據悉，這種噴嘴設計將有望獲得專利，并最終實現商業化。此外，這種方法的成本足夠低，未來有可能被整合到桌面 FFF 3D 打印機中，使其功能更加強大。
(責任編輯：admin)
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