《美国缅因大学与ORNL合作生物基复合材料3D打印研究项目》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-05-10
  • 美国缅因大学高级结构与复合材料中心与美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)展开一项新的合作研究,旨在推进生物基复合材料3D打印技术的开发。双方团队将与农林产品行业合作,生产新的生物基材料用于开发一系列3D打印产品,包括船体模具、掩体、建筑构件、复合材料工装组件和风机叶片,甚至体型庞大、结构要求苛刻的船艇系统。

    该项目由美国能源部先进制造办公室斥资2000万美元赞助,旨在将大学—产业集群与美国能源部在ORNL内设立的“制造业示范设施”(MDF)联合起来,从而加强区域制造业。MDF将运用数十年的经验,帮助区域产业在短时间内更有效地将增材制造技术转化为该地区的优势。

    ORNL是先进制造业的全球领导者,是美国能源部最大的科学和能源实验室,负责基础研究和应用研究,为能源和安全领域提供变革性解决方案。美国缅因大学是纤维素纳米纤维(CNF)技术的全球领导者,包括通过其先进结构和复合材料中心开发纳米/微纤维增强热塑性复合材料。

    该合作将使缅因大学高级结构和复合材料中心的学生、教师和相关公司有机会接触ORNL在先进制造方面的设施和专业知识。反过来,ORNL研究人员将获得缅因大学在CNF和复合材料方面的设施和专业知识。

    双方团队将在几个关键技术领域进行基础研究,包括CNF生产、干燥、功能化及其与热塑性材料的复合,多尺度建模和可持续性生命周期分析。通过将CNF与树脂复合,开发出坚固、坚硬且可回收的生物衍生材料系统,可以数百磅/小时的沉积速率和高达50%的纤维素纤维含量进行3D打印,有望开辟新的市场。

  • 原文来源:http://xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=481794
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    • 缅因大学先进结构与复合材料中心(位于美国缅因州奥罗诺)从缅因州技术研究所(MTI)获资50万美元,以建立技术联盟,帮助缅因州造船商探索如何使用经济的木塑复合材料进行大规模3D打印( WPCs),为其在行业内提供竞争优势。 WPC是由用木纤维和/或木粉增强的热塑性聚合物(例如,PE,PP,PVC,PLA)制成的复合材料。接下来的十年中,WPC每年市场营销价值预估高达10-100亿美元。 该技术联盟汇集了UMaine研究人员和海洋行业领导者的专业人员和技术,以进一步开发和商业化3D打印(也称为增材制造),受益该州的造船商。 普通中小型造船厂经常受限于制造传统海洋工具和船模所需的成本和交付时间。而UMaine Composites Centero研究人员称,3D打印有助于将制造船模所需的生产时间缩短75%。 然而,3D打印机和原料材料的高成本严重限制了大规模增材制造的广泛采用。为了解决这个问题,UMaine复合材料中心计划开发一系列用于复合材料加工应用的经济型木质填充材料。木质填料的使用显著降低了成本并增加了材料的刚度和韧性,同时减少了对环境的影响并改善了可回收性。 将增材制造和低成本的生物填充材料相结合,可以将海洋工具的成本降低50%,从而改变缅因州的传统造船业。缅因州造船商无法承担购买大型3D打印机和测试新原料的成本,但UMaine复合材料中心可以和缅因州造船业合作共享、创新传统。我们有设备和技术,可以帮助缅因州造船厂提高生产率、降低成本,并最终延续他们在造船业中的卓越传统。” UMaine复合材料中心的高级研发项目经理James Anderson说道。 UMaine复合材料中心执行董事Habib Dagher说:“过去的18年里,UMaine复合材料中心一直在开发挤出填充木纤维素和纳米纤维素纤维的塑料的技术,这些塑料含有高达50%的木质纤维。” “现在,我们会在非常大的3D打印机中使用这些相同的更坚固和更硬的塑料,为缅因州造船厂开发20到100英尺的船模和其他船只部件。通过使用50%木材3D打印塑料,达到比现在的传统方法更快、更便宜地生产船模的目标。据我们了解,我们将与造船厂合作将3D打印融入到大型船舶部件的生产过程中,最终达到整船打印的目标。” 造船业并不是唯一受益于UMaine研发的行业,该大学正在与缅因州的公司合作,为其独特的生物填充材料开发本地供应链。 来自MTI的50万美元赠款加上来自美国陆军纳蒂克士兵研究、开发和工程中心的500,000美元,共同用于与缅因州造船厂组成UMaine工程师和研究人员的技术联盟,包括巴斯的定制复合材料技术,Lewiston、Back Cove的复合解决方案,Rockland的游艇,雷蒙德的Saber Yachts,贝尔法斯特的Front Street造船厂,Trenton的Hinckley游艇,Boothbay的Hodgdon游艇,Augusta的Kenway复合材料以及Rockland的Lyman-Morse造船。 作为项目采用和商业化过程的一部分,联盟将致力于设计和印刷用于测试和评估的船用工具和船模,并为造船商开发3D打印培训课程。
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    • 复合材料天然存在于牙齿和贝类中,或者人工合成为钢筋混凝土、轮胎和胶合板等,其高强度依赖于纤维的排列。然而 在人造物件上,难题仍然是如何复制大自然的规律 。 通过旋转3D打印,来自哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院的Lewis实验室 研发了一种控制材料中纤维排列方向的方法,将FFF3D打印机进行旋转。 研究的第一作者Jennifer A. Lewis评论说:“我们现在可以以一种分层的方式来排列材料,类似于自然的构建方式。 从流体入手 之前一些其他方法使用磁场或电场来作为排列聚合物组织中纤维的手段。然而,添加这些电流在原本相对简单的沉积过程上增加了另一种程度的复杂性。 相反,Lewis实验室的方法研究3D打印墨水的流变学---或者说物质如何流动,本质上是一种液体电流,使混合物中的纤维排列。 图片展示了墨水中纤维的取向 引入旋转 作为标准挤压机的替代,该实验室的3D打印机有一个快速旋转的喷嘴,用来存放环氧基液体原料,而不是纤维丝。通过精确地编排喷嘴的速度和旋转,团队能够有效地规划纤维的排列和内容,从而为变化的材料提供始终如一的刚度。 “这项研究的一个令人兴奋的地方是,它提供了一种新的途径来制造复杂的微观结构,并且可控地改变从一个区域到另一个的微观结构。“合著者Jordan Raney解释说。 团队成员之一、哈佛大学的博士后研究员Raney现在是宾夕法尼亚大学的机械工程和应用力学助理教授,在那他主要研究 “控制材料系统的内部结构特征的新方法。” 从纳米到宏观 旋转3D打印是独立于电或磁电流的一种通用方法,可用于任何材料挤压法(FFF/FDM,直接墨水书写,BAAM),并存放任何填充材料,包括碳纤维和陶瓷片。 另一位合著者,Brett Compton,现在是诺克斯维尔市的田纳西大学机械工程学院的助理教授。他工作于橡树岭大面积添加剂制造工程(BAAM)方法的研究。 研究结果由合著者Brett Compton, Jordan Raney, Jochen Mueller和 Jennifer A. Lewis共同发布在《PNAS》杂志上。项目由美国海军研究局和来自德国的工具制造业投资家GETTYLAB提供资助,知识产权受到哈佛科技发展办公室的保护。