當(dāng)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)上或遠(yuǎn)程基地的士兵經(jīng)常需要等待數(shù)周才能更換部件。 現(xiàn)在，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)使用廢塑料制造這些零件，例如水瓶，紙板和其他可回收材料作為3D打印的起始材料。

3D打印車(chē)載收音機(jī)支架。圖片來(lái)源：Nicole Zander /美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室

研究人員昨天在第256屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）全國(guó)會(huì)議和博覽會(huì)上介紹了他們的工作。

“增材制造技術(shù)的潛在應(yīng)用非常廣泛 - 從預(yù)生產(chǎn)模型和臨時(shí)零件到最終用途的飛機(jī)零件和醫(yī)療植入物，”ARL研究員Nicole Zander博士說(shuō)。

向作戰(zhàn)部隊(duì)提供食物，燃料，彈藥和維修部件是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要數(shù)千名支持人員，承包商和制造商。根據(jù)美國(guó)政府問(wèn)責(zé)局的數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)防部總共擁有通過(guò)八個(gè)不同供應(yīng)鏈分發(fā)的500萬(wàn)件物品。但是，這些物品中很少有人儲(chǔ)存在前線地點(diǎn)，這意味著這些地區(qū)的部隊(duì)偶爾會(huì)遇到重要材料的短缺。這些裝置中的許多裝置都具有可以生產(chǎn)備件和其他設(shè)備的3D打印機(jī)，但它們依賴于必須征用的傳統(tǒng)原料，例如市售的塑料長(zhǎng)絲，并且它們可能需要數(shù)天，數(shù)周甚至數(shù)月才能到達(dá)。

Zander和來(lái)自美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的共同合作者Capt.Anthony Molnar的研究，從回收的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），瓶子和塑料中生成3D打印長(zhǎng)絲，沒(méi)有任何化學(xué)改性或添加劑。在水和蘇打瓶中發(fā)現(xiàn)的PET塑料是在基部周?chē)l(fā)現(xiàn)的常見(jiàn)廢料。雖然PET廣泛用于許多應(yīng)用中，但由于其高熔融溫度，吸水性和結(jié)晶性問(wèn)題，它并未廣泛用作FFF 3D印刷的原料。

研究人員使用一種稱為固態(tài)剪切粉碎的工藝來(lái)生成復(fù)合PP /纖維素長(zhǎng)絲。在該方法中，將切碎的塑料和紙，紙板或木粉在雙螺桿擠出機(jī)中粉碎以產(chǎn)生細(xì)粉末，然后將其熔融加工成3D印刷長(zhǎng)絲。

研究人員對(duì)PET塑料的長(zhǎng)絲進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試，他們的工作表明，再生PET長(zhǎng)絲與3D打印機(jī)的商用長(zhǎng)絲一樣堅(jiān)固和柔韌。在測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)使用回收的PET細(xì)絲打印車(chē)輛無(wú)線電支架，這是一種長(zhǎng)時(shí)間的軍用物品。這個(gè)過(guò)程需要大約10個(gè)水瓶，大約需要兩個(gè)小時(shí)才能完成。

Zander解釋說(shuō)，“在機(jī)械性能方面，F(xiàn)FF中使用的大多數(shù)聚合物的體積強(qiáng)度在30到100MPa之間。再生PET的平均強(qiáng)度為70MPa，因此可能是合適的3D打印原料。”

ARL的Nicole Zander博士為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)上尉Anthony Molnar演示設(shè)備。 （Jhi Scott的美國(guó)陸軍照片）

該團(tuán)隊(duì)還研究了其他類型塑料的3D打印，例如用于酸奶或奶酪容器的聚丙烯（PP），或用于塑料器皿的聚苯乙烯（PS）。這些塑料本身不能很好地發(fā)揮作用，但研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將它們與其他塑料混合，或添加填料如增強(qiáng)劑或增韌劑，可以生成堅(jiān)固而柔韌的長(zhǎng)絲。

研究人員表示，這項(xiàng)工作的動(dòng)力是通過(guò)在部署時(shí)進(jìn)行維修來(lái)增強(qiáng)作戰(zhàn)人員的能力和準(zhǔn)備程度，并減少后勤供應(yīng)鏈的依賴性。

Zander的團(tuán)隊(duì)正在建造一個(gè)移動(dòng)回收拖車(chē)，使士兵能夠?qū)⑺芰现匦掠糜?D打印的原料。她還在探索用塑料顆粒而不是長(zhǎng)絲印刷材料的方法，這可以幫助士兵快速生產(chǎn)更大的3D打印零件和機(jī)械。

“我們?nèi)匀恍枰私馊绾巫詈玫丶庸み@些材料，以及哪種添加劑可以改善其性能，”Zander說(shuō)。 “未來(lái)的工作將涉及針對(duì)原始部件測(cè)試精選的3-D印刷長(zhǎng)引線部件，以確定它們是否適合長(zhǎng)期或至少是臨時(shí)替代品。”