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

來源：科學Tang

熱塑性聚合物泡沫因其輕質、成本低、高性能而被認為是重要的工程材料，具有廣泛的應用。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，難以制備出具有復雜結構的泡沫材料，且設備成本較高。如何精準的控制微觀泡孔形貌和宏觀泡沫結構目前仍然是一個難點。結合了計算機程序輔助的增材制造技術(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，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雜結構，產品可進行功能化、個性化設計，且制造無需昂貴的設備和工具。綜合傳統(tǒng)發(fā)泡材料的輕質特性與增材制造的復雜結構可設計特點，將3D打印技術應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H. Ruckdäschel教授團隊和伊斯坦布爾科技大學M. Nofar教授合作系統(tǒng)總結了3D打印與發(fā)泡技術相結合制備熱塑性泡沫方面取得的系列進展，對各種技術嘗試進行了分類，并解釋了所面臨的挑戰(zhàn)。相關工作以題為“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打印結構后發(fā)泡制備泡沫的示意圖

該綜述首先分別對當前發(fā)泡和增材制造技術進行了詳細的介紹，接著對這二者整合的嘗試方案進行了系統(tǒng)的介紹。這些整合技術可分為（1） 結構化多孔結構（Architected Porous Structures）、（2） 復合發(fā)泡（SyntacticFoaming）、（3） 預制打印結構后發(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）。

結構化多孔結構法是通過將孔單元逐層構建形成泡沫，這與傳統(tǒng)定義的發(fā)泡有很大區(qū)別。其技術特點是泡孔幾何結構可根據應用需要進行個性化設計，且設計幾乎不受限制，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)泡技術大得多。

復合發(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行打印。制備的聚合物多孔結構材料，隨著中空微球含量的增加，拉伸模量增加，而拉伸強度和韌性降低，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，但是打印的多孔結構材料最終密度仍然很高。

預制打印結構后發(fā)泡法（圖1）是通過預先打印結構（不一定是多孔結構）然后進行發(fā)泡，打印結構材料經發(fā)泡后彈性和吸能效率得到改善。目前，預制打印結構后發(fā)泡法應用在實驗室規(guī)模，無法擴展到工業(yè)生產。

圖2 預飽和長絲的泡沫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。雖然該技術目前處于早期研究階段，但被認為是發(fā)泡與打印技術結合成功制造復雜結構泡沫的最實用途徑。在這種方法中，打印長絲中溶解的發(fā)泡劑如何保持是關鍵，泡孔結構和膨脹倍率主要受打印線材化學結構、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)泡技術的啟發(fā)，作者提出將其與現有無絲打印設備（圖3）相結合，開發(fā)了一種新型、更實用的無絲泡沫3D打印的技術。

圖3 無絲3D打印機示意圖

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