实现各向异性强度！Hilgenberg推出等离子陶瓷喷嘴有望改变FFF 3D 打印

2023年8月6日，南极熊获悉，希尔根伯格陶瓷公司（Hilgenberg Ceramics）旗下的 Alex Hilgenberg 与一家德国研究所合作，开发出了一种新型陶瓷喷嘴，可以对每个打印层进行等离子活化处理。该工艺具有增强粘合性能、表面灭菌和添加导电层等优势。

研究人员的设计思路源于塑料表面的等离子活化技术，这是一项成熟的技术，该团队在本研究中将其应用于 FDM 3D 打印。所开发的陶瓷喷嘴由高纯度氧化铝 (Al2O3) 制成，本身是 3D 打印的，可确保长期介电性能并克服典型喷嘴的局限性。

△陶瓷等离子3D打印喷嘴。来源：Hilgenberg Ceramics

研究人员研发这款等离子喷嘴的目的是克服打印过程中的层粘附问题：在 FFF 3D 打印中，新层沉积在已经稍微冷却的前一层上。这种冷却会阻碍各层之间的分子充分结合，从而使其成为FFF每层的弱点。这导致打印件的强度不可避免地具有各向同性。

Essentium的电磁3D打印工艺

过去曾有人尝试克服这个问题，其中最引人注目的可能是Essentium 开发的电磁3D打印工艺，他们称之为“FlashFuse Filament”。这个想法是让电流通过丝材到达打印表面，在他们称之为“热焊接”的过程中沉积更多层时保持材料的高温。具体的工作原理如下：

• 丝材具有独特的涂层，其中含有碳纳米管和其他导电特殊材料；
• 长丝以典型方式 3D 打印，通过热端加热并通过喷嘴挤出；
• 特殊涂层在挤出过程中通过塑料混合；
• 将电流施加到喷嘴；
• 喷嘴之间通过挤压塑料和金属印刷表面形成电路；
• 特殊材料中的电阻会产生热量；
• 挤出的塑料在整个打印过程中保持在理想的温度；
  

△Essentium电磁3D打印工艺概述

这个过程有许多重要的好处。首先，由于所有挤出的塑料都处于一定温度，因此层之间的结合要牢固得多，因为塑料可以比典型的“冷热”层打印混合更多。其次，打印件不会变形，因为塑料在整个打印过程中都保持在高温下。碳纳米管的另一个好处是显着增加了材料的强度，并且与改进的层粘合相结合，可以产生非常坚固的印刷品。Essentium 声称某些零件的强度超过了注塑零件。这些印刷品很少会出现分层现象。

Essentium 的方法令人印象深刻，因为它完全不需要加热室：您可以直接加热塑料，而不是一个巨大的、几乎是空的室。事实上，加热塑料所需的能量远远少于加热成型室所需的能量。而且也没有热身时间。然而遗憾的是，这种方法似乎并没有流行起来。

△Essentium EM1，用于开发电磁 3D 打印工艺

Hilgenberg Ceramics的新型陶瓷等离子喷嘴

在本研究中，Hilgenberg开发的新型陶瓷等离子体活化方法似乎更实用并且可能更容易实施。研究人员意识到等离子体的应用可以增加层的粘附力。显然，这种方法已在其他工业应用（例如包装、塑料）中普遍使用了数十年。然而，此前从未将其应用于3D打印。

△陶瓷等离子3D打印喷嘴结构。来源：Hilgenberg Ceramics

它是如何工作的？其实很简单。，通过在工具头上添加一个专门设计的喷嘴。该喷嘴能够产生小的等离子流。当一层完成后，工具头扫过前一层，用等离子体对其进行处理。这会“激活”沉积层中的分子，使其更具粘合性。这使得各层的粘合更加恰当，从而可以生产各向异性部件。

然而，喷嘴相当复杂。它由陶瓷制成，涂有铜，带有内部电极。通过的空气变成等离子射流，从喷嘴流出到沉积的聚合物上。研究人员必须将喷嘴做得非常小，才能适合典型的 FFF 3D 打印机。喷嘴的尺寸仅为40 x 20 x 20毫米，相当微小。讽刺的是，事实证明，如此复杂的设计必须通过 3D 打印出来。

喷嘴也主要由陶瓷 Al2O3 制成。这是因为塑料喷嘴容易积聚石墨沉积物，并失去其介电性能。然而，陶瓷喷嘴能够毫无问题地运行更长时间。研究小组发现，除了粘附之外，等离子喷嘴还可以蚀刻表面、对物体进行消毒、清洁表面层等。

据悉，这种喷嘴设计将有望获得专利，并最终实现商业化。此外，这种方法的成本足够低，未来有可能被整合到桌面 FFF 3D 打印机中，使其功能更加强大。