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《Additive Manufacturing》:用于评估材料挤出墨水可打印性的流变学路线图

《Additive Manufacturing》:用于评估材料挤出墨水可打印性的流变学路线图

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-30 16:23
  • 访问量:

【概要描述】

《Additive Manufacturing》:用于评估材料挤出墨水可打印性的流变学路线图

【概要描述】

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-30 16:23
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2023年8月18日,美国弗吉尼亚理工大学的研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为A rheology roadmap for evaluating the printability of material extrusion inks的研究论文,报道了团队开发的可快速筛选DIW墨水的全新流变学路线图,该路线图可用于评估新兴的DIW技术和未来的墨水配方的可打印性,为筛选墨水提供了一种标准化和可推广的方法。
原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103745

  研究简介  

化学反应粘合材料挤出(MEX-CRB)增材制造(AM)也称为墨水直接(DIW),由于其可加工一系列具有流变特性的高粘性墨水,已被用于加工各种材料。然而,目前还没有一种方法来指导这一过程中新墨水的创建和筛选,本文利用一系列流变学实验和流变学与可打印性的关系,提出了一种“流变学路线图”,以指导材料设计师通过系统评估墨水对MEX工艺的兼容性。
在这项工作中,可打印性被定义为墨水通过DIW加工的能力,并通过使用测量的流变学数据来评估其在MEX工艺的三个关键子功能中的行为:挤出、挤出固化和层支撑。该路线图将广泛报道的流变分析综合为一个系统的决策框架,该框架提出了进行流变实验的可重复顺序,并评估了将每个实验结果与可打印性相关的相关标准。
该路线图可以描述一系列墨水独立于它们本身的特定属性,包括屈服应力、时间相关固化和用于一系列MEX工艺实施例的组合固化墨水。提供了基于流变特性的可量化标准来对墨水类型进行分类。为了演示路线图的实际应用,研究人员通过MEX筛选具有屈服应力和反应固化行为的硅树脂墨水,以及具有光固化行为的聚氨酯丙烯酸酯墨水,然后使用双组份挤出机进行打印。通过遵循流变学路线图,在流变学、MEX和/或材料配方方面专业性薄弱的用户可以以标准化的方式评估新墨水的可打印性,从而帮助创建下一代MEX材料。

图1 DIW过程可以分解为三个主要的子功能。可打印材料应具备:(A)被挤压成一致的珠状,没有中断或过度挤压,(b)在沉积时扩散最小的量,以及(c)支撑后续层的重量而不坍塌。

图2 用于评估一系列具有不同流变特性的DIW墨水的可打印性的流变路线图。

图3 光固化丙烯酸氨基甲酸酯墨水的流变性图综述。

图8 复合固化(屈服应力和反应固化)有机硅流变学路线图结果综述。

图9 (a)标准化高度与沉积和热固化之间的暂停时间之间的关系,以量化随着时间的推移珠扩散。珠粒高度与初始高度进行标准化。(b)用未固化的硅酮墨水打印的43毫米高的圆柱体示例,表明墨水的屈服应力可以支持至少40毫米高的部件。由于后续层的重量导致墨水产生,该部分在~40毫米高时开始膨胀和下垂。(c)由固化的硅酮墨水打印的100毫米高圆柱体的示例,表明在打印过程中,当墨水被热固化时,它可以支撑一个明显更高的部分。

  研究结论  

使用流变学实验快速筛选DIW墨水的全新流变学路线图是一个实用的实验指南。本文提出的路线图提供了系统的步骤,可以在开发新墨水时使用,以快速评估其可打印性。可打印性是通过测量流变学数据以预测墨水在挤出、固化和DIW层支撑子功能中的行为。
首先,团队确定了与DIW工艺最相关的,并可以表征广泛的墨水仪器的流变学实验。然后,确定了这些流变学实验和可打印性之间的关系,以便使用流变学实验的结果预测墨水的可打印性。实验和关系结果涵盖在一个决策框架中,以提供一个可重复和一致的方法来评估新的链接。
路线图中的结果回答了关键的墨水筛选问题,例如:

1.墨水是否以指定参数所需的流速从喷嘴流出?(挤压子函数)

2.墨水是否在过度扩散之前完成固化,保留沉积时的形状?(凝固子函数)

3.墨水的强度/硬度是否足以支撑后续的图层?零件的强度是否足以应付印后处理?(层支持子功能)

重要的是,该路线图可以描述广泛的墨水类型,包括屈服应力、时间依赖性固化和用于一系列DIW工艺实施例的组合固化墨水。提供了基于流变特性的可量化标准来对墨水类型进行分类。为了演示所介绍的路线图的应用,讨论了两种独特墨水的流变数据、打印性预测和实验打印结果。每种墨水都具有独特的流变特性,以演示通过路线图的不同可能路径。
首先,用路线图对一种随时间变化的固化聚氨酯丙烯酸酯墨水进行了评价。对各种墨水混合物的评价侧重于使用旋转流动扫描来评估墨水是否可挤出;然后用光流变学方法研究了墨水的固化和支撑层行为。在不同的挤出机平移速度下,通过对挤出珠的轮廓、珠随时间的扩散行为和48.6 mm高的测试圆柱体的打印实验研究,验证了路线图中对可打印性的预测。其次,对复合固化有机硅墨水进行了评价。该墨水被归类为复合固化墨水,因为它表现出屈服应力行为和二次较慢的反应固化。同样,首先使用旋转流动扫描来评估墨水是否可挤出。由于墨水具有明显的高屈服应力,采用振荡振幅扫描和振荡应变阶跃变化实验来分析墨水的凝固和层支撑行为。最后,通过化学流变学实验分析了二次反应固化对层支撑性能的影响。通过研究墨头随时间的扩散行为,以及在100毫米高和没有43毫米高的墨水二次反应固化的测试筒上打印,支持了可打印性的预测。
本研究所提出的决策框架为筛选墨水提供了一种标准化和可推广的方法。该路线图可以评估新兴的DIW技术和未来的墨水配方的可打印性。最终,通过遵循流变学路线图,在流变学、直接墨水写入或材料配方方面不太擅长的用户可以借此评估新墨水的可打印性,从而协助创建下一代DIW材料。
——END——

 

奇遇科技自主研发的DIW墨水直写3D打印机可制备硅胶、陶瓷等众多材料体系,高端设备配置与独家智能软件系统为使用者带来良好的人机交互体验。

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