Advanced Science：熱塑性泡沫3D打印，增材制造與發泡技術的結合
時間：2022-03-10 16:03 來源：科學Tang 作者：admin 閱讀：次
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的制備成型方法主要有擠出發泡、注塑發泡、釜壓發泡、模壓發泡等，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展，相對于傳統成型技術，它最大的優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。綜合傳統發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教授合作系統總結了3D打印與發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。相關工作以題為“Foam 3D Printing of Thermoplastics: A Symbiosis of Additive Manufacturing and Foaming Technology”發表在《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。
該綜述首先分別對當前發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） 復合發泡（SyntacticFoaming）、（3） 預制打印結構后發泡（Post-foamingof Printed Parts）、（4）含發泡劑長絲原位發泡（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，這與傳統定義的發泡有很大區別。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，通常要比傳統發泡技術大得多。
復合發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）然后進行發泡，打印結構材料經發泡后彈性和吸能效率得到改善。目前，預制打印結構后發泡法應用在實驗室規模，無法擴展到工業生產。
含發泡劑打印長絲原位發泡法（圖2）是通過采用含有發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生原位發泡。雖然該技術目前處于早期研究階段，但被認為是發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、注塑發泡技術的啟發，作者提出將其與現有無絲打印設備（圖3）相結合，開發了一種新型、更實用的無絲泡沫3D打印的技術。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202105701
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教授合作系統總結了3D打印與發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。相關工作以題為“Foam 3D Printing of Thermoplastics: A Symbiosis of Additive Manufacturing and Foaming Technology”發表在《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打印結構后發泡制備泡沫的示意圖
該綜述首先分別對當前發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） 復合發泡（SyntacticFoaming）、（3） 預制打印結構后發泡（Post-foamingof Printed Parts）、（4）含發泡劑長絲原位發泡（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，這與傳統定義的發泡有很大區別。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，通常要比傳統發泡技術大得多。
復合發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）然后進行發泡，打印結構材料經發泡后彈性和吸能效率得到改善。目前，預制打印結構后發泡法應用在實驗室規模，無法擴展到工業生產。
圖2 預飽和長絲的泡沫3D打印示意圖
含發泡劑打印長絲原位發泡法（圖2）是通過采用含有發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生原位發泡。雖然該技術目前處于早期研究階段，但被認為是發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、注塑發泡技術的啟發，作者提出將其與現有無絲打印設備（圖3）相結合，開發了一種新型、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
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