用于3D打印大型物體的可膨脹泡沫

供稿人：馬浩宇 李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)前，3D打印領(lǐng)域所成形的對象尺寸必須小于成型設(shè)備尺寸，這大大限制了可成形零件的尺寸范圍，較大尺寸的設(shè)備并不適合打印大型零件，因?yàn)樗鼈冋加锰嗫臻g并且需要過多的打印時(shí)間。現(xiàn)在，ACS Applied Materials & Interfaces期刊報(bào)道的一種新材料可用于3D打印受熱膨脹的小物體，這種泡沫可用于建筑、航空航天和生物醫(yī)學(xué)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的David Wirth及其同事開發(fā)了一種可膨脹樹脂，該樹脂可用于使用廉價(jià)的市售立體光刻3D打印機(jī)打印大型物體。研究人員測試了許多不同的樹脂配方，以找到一種可以讓他們打印出受熱時(shí)會膨脹到更大尺寸的物體，他們使用該配方通過3D打印成形一個(gè)空心的格子球體，工藝流程如圖1。在烘箱中加熱球體會導(dǎo)致樹脂的揮發(fā)性成分以氣體形式冒泡出來，這創(chuàng)造了一種多孔的聚苯乙烯泡沫狀材料，其體積比原始打印對象大40倍。

圖1 打印區(qū)域兩次劃分

為了驗(yàn)證膨脹樣品的機(jī)械性能，對樣品進(jìn)行了壓縮性能測試。結(jié)果如圖2，加熱后，沒有明顯膨脹的樣品的機(jī)械剛度增加，顯著膨脹的樣品的機(jī)械性能發(fā)生了巨大變化，剛度和密度都急劇下降。使用這種方法，該團(tuán)隊(duì)還3D打印了許多其他模型，包括一艘船，它在擴(kuò)大后可以承載約20倍的重量，以及一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，它可以在更大的尺寸下產(chǎn)生少量電力。盡管這種新材料不如聚苯乙烯泡沫那么堅(jiān)固，但總有一天它可以用于緩沖、機(jī)翼、浮力輔助設(shè)備，甚至是宇航員的可擴(kuò)展棲息地。

圖2 泡沫聚合物和原始聚合物的壓縮性能測試

參考文獻(xiàn)：
David M. Wirth, Anna Jaquez, Sofia Gandarilla, Justin D. Hochberg, Derek C. Church, and Jonathan K. Pokorski. Highly Expandable Foam for Lithographic 3D Printing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020 12 (16), 19033-19043