能源部橡树岭国家实验室的研究人员设计了一种新型聚合物来粘合和加强硅砂，用于粘合剂喷射增材制造，这是一种工业用于原型制作和零件生产的 3D 打印方法。这种可印刷的聚合物使沙子结构具有复杂的几何形状和非凡的强度，并且是水溶性的。

这项发表在《自然通讯》上的研究展示了一座 3D 打印的沙桥，它长 6.5 厘米，可以承受自身重量的 300 倍，这一壮举类似于布鲁克林大桥上的 12 座帝国大厦。

所述粘合剂的喷墨打印方法是更便宜，比工业中使用的其它3D印刷方法更快，并且使得可以从各种粉末材料的创建3D结构，提供在成本和可扩展性的优点。这个概念源于喷墨打印，但打印头不是使用墨水，而是喷出液体聚合物来粘合粉状材料，例如沙子，逐层构建 3D 设计。粘合聚合物赋予印刷砂以强度。

该团队利用聚合物专业知识来定制聚乙烯亚胺 (PEI) 粘合剂，与传统粘合剂相比，该粘合剂将砂部件的强度提高了一倍。

通过粘合剂喷射打印的部件在从打印床上移除时最初是多孔的。它们可以通过使用一种称为氰基丙烯酸酯的额外超级胶水材料来填充间隙来渗透设计来加强。第二步在第一步的基础上提供了八倍的强度增加，使聚合物砂复合材料比任何其他和任何已知的建筑材料（包括砖石）更坚固。

“很少有聚合物适合作为这种应用的粘合剂。我们一直在寻找特定的特性，例如溶解性，这会给我们带来最好的结果。我们的主要发现是我们的 PEI 粘合剂的独特分子结构使其具有反应性该项目的首席研究员、ORNL 的 Tomonori Saito 说。

用传统粘合剂形成的部件通过渗透材料（例如强力胶）变得更致密，但没有一个产品达到接近 PEI 粘合剂的性能。PEI 粘合剂令人印象深刻的强度源于聚合物在固化过程中与氰基丙烯酸酯结合的反应方式。

硅砂是一种廉价、容易获得的材料，在汽车和航空航天领域用于制造复合部件的兴趣越来越大。碳纤维或玻璃纤维等轻质材料包裹在 3D 打印的砂芯或“工具”上，然后加热固化。硅砂对模具很有吸引力，因为它在加热时不会改变尺寸，而且它在可清洗模具方面具有独特的优势。在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂形成砂具非常重要，因为它可以通过简单的自来水冲洗步骤去除砂子，留下中空的复合材料形式。

“为了确保模具零件的精度，您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景的原因。挑战在于克服砂零件的结构弱点，”来自美国大学的达斯汀吉尔默说。田纳西布雷德森中心的学生和该研究的主要作者。

当前的砂型铸造模具和型芯的工业用途有限，因为商业方法（例如冲洗工具）施加的热量和压力可能会导致砂型部件在第一次尝试时破裂或失败。需要更坚固的砂部件来支持大规模制造并实现快速部件生产。

“我们的高强度聚合物砂复合材料提高了可以用粘合剂喷射方法制造的零件的复杂性，实现更复杂的几何形状，并拓宽了制造、工具和建筑的应用，”吉尔默说。

这种新型活页夹获得了 2019 年 R&D 100 奖，并已获得行业合作伙伴 ExOne 的研究许可。