3D打印新泡沫材料可突破打印部件尺寸限制

來(lái)源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)悉，來(lái)自圣地亞哥加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表于A(yíng)CS Applied Materials＆Interfaces中的新材料可用于3D打印加熱時(shí)膨脹的小物體。該泡沫材料可用于建筑，航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

當(dāng)前的3D打印方法已經(jīng)能夠制造各種各樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和幾何形狀，這是通過(guò)其他制造形式不可能實(shí)現(xiàn)的。盡管聚合物增材制造(AM)在設(shè)計(jì)和幾何自由度方面打開(kāi)了無(wú)數(shù)大門(mén)，但這些方法通常受到特定工藝中可用材料以及3D打印部件的尺寸受到打印機(jī)本身尺寸范圍的限制。當(dāng)與成熟的聚合物加工技術(shù)（例如擠出或注塑）形成對(duì)比時(shí)，這些材料局限性變得尤為明顯，而成熟的聚合物加工技術(shù)基本上可以使用任何熱塑性聚合物來(lái)進(jìn)行。迄今為止，幾乎所有的增材制造方法都普遍存在零件制造尺寸的局限性，而該團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中解決的正是這一局限性。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的聚合物3D打印通�？赏ㄟ^(guò)兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：熔融沉積建模(FDM)和立體光刻(SLA)。FDM通過(guò)將熔融的熱塑性塑料通過(guò)加熱的噴嘴擠出來(lái)生產(chǎn)物體，并且很大程度上適用于聚合物加工界通常采用的熔融加工技術(shù)中使用的材料。FDM通過(guò)加熱噴嘴擠出熔融的熱塑性塑料來(lái)生產(chǎn)物品，并且很大程度上適用于聚合物加工界通常采用的熔融加工技術(shù)中使用的材料。相反，SLA通過(guò)將感光樹(shù)脂選擇性地暴露在光的圖案中而形成零件與FDM相比，由于需要用光快速固化聚合物的化學(xué)性質(zhì)，SLA的材料選擇受到明顯限制。

雖然3D打印在成品部件的幾何形狀方面具有高度的靈活性，但打印對(duì)象所需的時(shí)間與其體積成正比。因此，許多商用3D打印機(jī)不適合打印大型零件，因?yàn)樗鼈冋加锰�多空間，并且需要過(guò)多的時(shí)間來(lái)打印，這迫使較大的物體必須由多個(gè)單獨(dú)的打印件組裝而成。然而，這些限制可以通過(guò)開(kāi)發(fā)固化形成膨脹聚合物泡沫的樹(shù)脂來(lái)減輕，從而允許人們以小規(guī)模快速打印物體，然后在打印后將其膨脹以達(dá)到更大的最終尺寸。根據(jù)參考文獻(xiàn)，使用肼基發(fā)泡劑4,4'-氧雙（N'-苯甲�；�苯磺酰肼）的噴墨3D打印配方通過(guò)改良的PolyJet系統(tǒng)顯示出高達(dá)44％的體積膨脹率。盡管這項(xiàng)初期工作很有希望， 它依賴(lài)于專(zhuān)用系統(tǒng)，并且需要在完全固化零件之前進(jìn)行預(yù)膨脹，從而使該工藝不適用于SLA系統(tǒng)。盡管這項(xiàng)初期工作很有希望，但它依賴(lài)于專(zhuān)用系統(tǒng)，并且需要在完全固化零件之前進(jìn)行預(yù)膨脹，從而使該工藝不適用于SLA系統(tǒng)。

在該研究中，研究人員旨在開(kāi)發(fā)一種可膨脹的樹(shù)脂，使用價(jià)格不到300美元的掩模立體光刻(MSLA)系統(tǒng)，這種廉價(jià)的商用三維打印機(jī)打印大型物體。雖然研究人員可以輕松使用此打印機(jī)，但它只能產(chǎn)生小于1mW/cm2的光強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和MSLA工藝的性質(zhì)，我們提出以下條件對(duì)于制造用于MSLA打印機(jī)的可發(fā)泡樹(shù)脂是必要的：

（1）預(yù)聚物樹(shù)脂必須在1mW/cm2以下的光強(qiáng)度下快速固化，以允許實(shí)際的印刷時(shí)間。

（2）發(fā)泡劑的分解點(diǎn)必須高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)且低于固化聚合物的熔點(diǎn)(Tm)或分解溫度(Td)，以允許變形和捕集氣體，但不會(huì)在膨脹期間熔化或分解印刷物體。

（3）發(fā)泡劑必須溶于純凈單體中，以防止在印刷過(guò)程中沉淀，以確保印刷部件均勻膨脹。

（4）預(yù)聚物樹(shù)脂必須包含低濃度的交聯(lián)物質(zhì)。交聯(lián)鍵提高了印刷品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并降低了聚合物的自由體積，從而減少了泡沫的膨脹。

研究人員測(cè)試了許多不同的樹(shù)脂配方，以找到一種可以使它們印刷出受熱后膨脹成更大尺寸的物體的樹(shù)脂。他們使用該配方3D打印空心格子球。在烤箱中加熱球體會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂的揮發(fā)性成分作為氣體冒出。這樣就制成了一種多孔的，聚苯乙烯泡沫狀的材料，其體積比原始打印物體大40倍。

△圖1. 3D打印高膨脹泡沫聚合物（Voronoi球）

圖解：(A) 流程：將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在CAD上并導(dǎo)出到STL。將結(jié)構(gòu)縮小比例打印，然后在200°C加熱并擴(kuò)大到最終尺寸。(B)BOC2O分解，BOC2O用作發(fā)泡劑。每摩爾固體總共產(chǎn)生4摩爾氣體。(C) Voronoi球拍的攝影時(shí)間幀圖像顯示，在4分鐘的膨脹過(guò)程中，印刷零件的膨脹率很高（比例尺為25 mm）。

此過(guò)程應(yīng)用廣泛，可讓用戶(hù)產(chǎn)生各種樣品幾何形狀，如圓柱（圖2A，B）和圓盤(pán)（圖2C，D），以及更復(fù)雜的形狀（例如Voronoi）（圖2E， F）結(jié)構(gòu)或立方晶格（圖3）。重要的是，這種方法展示了產(chǎn)生比打印機(jī)的底板大的物體的能力（圖2G）。

圖2. 顯示的樣品在200°C膨脹10分鐘之前和之后。將兩個(gè)樣品從相同的樹(shù)脂浴中以0.18 mm的高度在65s的曝光下進(jìn)行3D打印。(A)膨脹之前和之后的圓柱體(10×10 mm)，(B)膨脹之后，(C)膨脹之前和之后的直徑為“圓盤(pán)”(D)，(D)膨脹之后，(E)膨脹之前和之后的(F)直徑為43 mm Voronoi球體。(G)演示了Voronoi球相對(duì)于A(yíng)nycubic構(gòu)建板的尺寸，演示了生產(chǎn)的物體大于打印機(jī)的構(gòu)建體積。所有比例尺10毫米。

圖3.(A)在Rhinoceros 3D中顯示的ProFab Lattice的計(jì)算機(jī)輔助繪圖模型，以及(B)在具有0.18mm層高和65s曝光時(shí)間的Anycubic光子中打印后立即顯示的樹(shù)脂聚合物打印格子。

通過(guò)這種方法，研究小組還可以3D打印許多其他形狀，包括船形，它的擴(kuò)展尺寸可以承載約20倍的重量，風(fēng)輪機(jī)可以以較大的尺寸生成少量電能。研究人員表示，盡管這種新材料的強(qiáng)度不如聚苯乙烯泡沫塑料，但有朝一日可以用于緩沖、機(jī)翼、浮力輔助設(shè)備，甚至可用于宇航員的可擴(kuò)展棲息地。

參考文獻(xiàn)：

Chen, Q.; Zhao, J.; Ren, J.; Rong, L.; Cao, P.-F.; Advincula, R. C. 3D Printed Multifunctional, Hyperelastic Silicone Rubber Foam. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (23), 1900469, DOI: 10.1002/adfm.201900469

本文來(lái)源：DOI: 10.1021/acsami.0c02683