Advanced Science：熱塑性泡沫 3D 打印，增材制造與發(fā)泡技術(shù)的結(jié)合

來源：科學(xué)Tang

熱塑性聚合物泡沫因其輕質(zhì)、成本低、高性能而被認(rèn)為是重要的工程材料，具有廣泛的應(yīng)用。目前，熱塑性聚合物泡沫傳統(tǒng)的制備成型方法主要有擠出發(fā)泡、注塑發(fā)泡、釜壓發(fā)泡、模壓發(fā)泡等，難以制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的泡沫材料，且設(shè)備成本較高。如何精準(zhǔn)的控制微觀泡孔形貌和宏觀泡沫結(jié)構(gòu)目前仍然是一個難點。結(jié)合了計算機(jī)程序輔助的增材制造技術(shù)(3D打印)近幾年得到了快速的發(fā)展，相對于傳統(tǒng)成型技術(shù)，它最大的優(yōu)勢在于能夠精確和快速成型小至微納尺寸的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品可進(jìn)行功能化、個性化設(shè)計，且制造無需昂貴的設(shè)備和工具。綜合傳統(tǒng)發(fā)泡材料的輕質(zhì)特性與增材制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可設(shè)計特點，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到聚合物泡沫制備，目前已成為泡沫制造的新發(fā)展方向。

近日，拜羅伊特大學(xué)H. Ruckdäschel教授團(tuán)隊和伊斯坦布爾科技大學(xué)M. Nofar教授合作系統(tǒng)總結(jié)了3D打印與發(fā)泡技術(shù)相結(jié)合制備熱塑性泡沫方面取得的系列進(jìn)展，對各種技術(shù)嘗試進(jìn)行了分類，并解釋了所面臨的挑戰(zhàn)。相關(guān)工作以題為“Foam 3D Printing of Thermoplastics: A Symbiosis of Additive Manufacturing and Foaming Technology”發(fā)表在《Advanced Science》上。伊斯坦布爾科技大學(xué)M. Nofar教授為論文第一作者兼通訊作者，H. Ruckdäschel教授為通訊作者。

圖1 3D打印結(jié)構(gòu)后發(fā)泡制備泡沫的示意圖

該綜述首先分別對當(dāng)前發(fā)泡和增材制造技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，接著對這二者整合的嘗試方案進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。這些整合技術(shù)可分為（1） 結(jié)構(gòu)化多孔結(jié)構(gòu)（Architected Porous Structures）、（2） 復(fù)合發(fā)泡（SyntacticFoaming）、（3） 預(yù)制打印結(jié)構(gòu)后發(fā)泡（Post-foamingof Printed Parts）、（4）含發(fā)泡劑長絲原位發(fā)泡（InSitu Foaming of Filaments Containing Blowing Agent）。

結(jié)構(gòu)化多孔結(jié)構(gòu)法是通過將孔單元逐層構(gòu)建形成泡沫，這與傳統(tǒng)定義的發(fā)泡有很大區(qū)別。其技術(shù)特點是泡孔幾何結(jié)構(gòu)可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行個性化設(shè)計，且設(shè)計幾乎不受限制，而泡孔、泡孔壁和泡孔棱的最小尺寸受到增材制造工藝的限制，通常要比傳統(tǒng)發(fā)泡技術(shù)大得多。

復(fù)合發(fā)泡法是通過使用含有中空微球或可溶性填料的聚合物直接進(jìn)行打印。制備的聚合物多孔結(jié)構(gòu)材料，隨著中空微球含量的增加，拉伸模量增加，而拉伸強(qiáng)度和韌性降低，這是由于在帶有空心微珠的打印部件的層之間形成了大的空隙。此外，盡管低密度微球的含量很高，但是打印的多孔結(jié)構(gòu)材料最終密度仍然很高。

預(yù)制打印結(jié)構(gòu)后發(fā)泡法（圖1）是通過預(yù)先打印結(jié)構(gòu)（不一定是多孔結(jié)構(gòu)）然后進(jìn)行發(fā)泡，打印結(jié)構(gòu)材料經(jīng)發(fā)泡后彈性和吸能效率得到改善。目前，預(yù)制打印結(jié)構(gòu)后發(fā)泡法應(yīng)用在實驗室規(guī)模，無法擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)。

圖2 預(yù)飽和長絲的泡沫3D打印示意圖

含發(fā)泡劑打印長絲原位發(fā)泡法（圖2）是通過采用含有發(fā)泡劑的打印長絲進(jìn)行打印，在打印過程中高溫下壓力釋放發(fā)生原位發(fā)泡。雖然該技術(shù)目前處于早期研究階段，但被認(rèn)為是發(fā)泡與打印技術(shù)結(jié)合成功制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)泡沫的最實用途徑。在這種方法中，打印長絲中溶解的發(fā)泡劑如何保持是關(guān)鍵，泡孔結(jié)構(gòu)和膨脹倍率主要受打印線材化學(xué)結(jié)構(gòu)、打印溫度和速度影響，且通常形成梯度孔。
最后，受擠出、注塑發(fā)泡技術(shù)的啟發(fā)，作者提出將其與現(xiàn)有無絲打印設(shè)備（圖3）相結(jié)合，開發(fā)了一種新型、更實用的無絲泡沫3D打印的技術(shù)。

圖3 無絲3D打印機(jī)示意圖

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202105701