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导读：美国橡树岭国家实验室最近在Nature Communications上发表了一篇论文，详细介绍了他们在粘合剂喷射领域的最新3D打印成就。
研究人员展示了一种使用定制聚合物作为粘合剂打印硅砂结构的快速且具有成本效益的方法。这些结构已被证明能够支撑300倍于自身重量的重量，根据ORNL的说法，这相当于在布鲁克林大桥上放上12座帝国大厦。事实上，这种结构确实很像一座微型桥梁。
△3D打印沙子（图片来源：ORNL）
粘合剂喷射工艺使用聚合物树脂将物质粘合在一起，文章中使用的新型聚合物被称为聚乙烯亚胺(PEI)。与通常的粘合剂相比，它已被证明可将打印部件的强度提高一倍。ORNL研究人员一直在寻找特定的材料特性，例如溶解度，这可能会为粘合剂工艺带来最好的结果。而PEI具有独特的分子结构，能够与氰基丙烯酸酯发生反应，从而实现卓越的强度。
通常，用粘合剂喷射制成的零件是多孔的，然后用氰基丙烯酸酯（强力胶）填充孔隙，增加零件的密度并增加强度。在PEI的强度已经翻倍的基础上，此步骤将零件强度再增加了八倍，而这种额外的强度增加来自PEI与胶水的反应。与传统粘合剂相比，新型砂材料的质地强度为6.28MPa，在弯曲载荷方面比无钢筋混凝土（~4.5 MPa）更强。
为什么要使用沙子呢？
沙子超级便宜且储量丰富，可用于工业，特别是用于复合材料制造的工具。砂还具有出色的热性能，在暴露于复合材料固化温度时不会膨胀，因此即使在加热时，制造商也能保持砂基模具的尺寸稳定性。
由于PEI是水溶性的，制造工程师和技术人员可以在部件固化后简单地取出、清洗，然后使用。砂芯会溶解，这降低了与模具/工具移除相关的劳动力成本。
△过程图（图片来源：ORNL）
为了确保模具零件的精度，人们需要一种在加工过程中不会改变形状的材料，这就是硅砂一直很有前途的原因。克服沙子部分的结构弱点是目前研究人员遇到的醉倒挑战。寻找高强度聚合物砂复合材料能够提高用于粘合剂喷射方法制造零件的复杂性，实现更复杂的几何形状，并拓宽了制造、模具和建筑的应用。
据了解，这种新材料已经获得了ExOne的授权，并将在他们的机器上使用。相信实际应用的问世应该不会太远。
参考文献：Gilmer, D.B., Han, L., Lehmann,M.L. et al. Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled bypolyethyleneimine binder. Nat Commun 12, 5144 (2021).
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