Advanced Science：热塑性泡沫 3D 打印，增材制造与发泡技术的结合

来源：科学Tang

热塑性聚合物泡沫因其轻质、成本低、高性能而被认为是重要的工程材料，具有广泛的应用。目前，热塑性聚合物泡沫传统的制备成型方法主要有挤出发泡、注塑发泡、釜压发泡、模压发泡等，难以制备出具有复杂结构的泡沫材料，且设备成本较高。如何精准的控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构目前仍然是一个难点。结合了计算机程序辅助的增材制造技术(3D打印)近几年得到了快速的发展，相对于传统成型技术，它最大的优势在于能够精确和快速成型小至微纳尺寸的三维复杂结构，产品可进行功能化、个性化设计，且制造无需昂贵的设备和工具。综合传统发泡材料的轻质特性与增材制造的复杂结构可设计特点，将3D打印技术应用到聚合物泡沫制备，目前已成为泡沫制造的新发展方向。

近日，拜罗伊特大学H. Ruckdäschel教授团队和伊斯坦布尔科技大学M. Nofar教授合作系统总结了3D打印与发泡技术相结合制备热塑性泡沫方面取得的系列进展，对各种技术尝试进行了分类，并解释了所面临的挑战。相关工作以题为“Foam 3D Printing of Thermoplastics: A Symbiosis of Additive Manufacturing and Foaming Technology”发表在《Advanced Science》上。伊斯坦布尔科技大学M. Nofar教授为论文第一作者兼通讯作者，H. Ruckdäschel教授为通讯作者。

图1 3D打印结构后发泡制备泡沫的示意图

该综述首先分别对当前发泡和增材制造技术进行了详细的介绍，接着对这二者整合的尝试方案进行了系统的介绍。这些整合技术可分为（1） 结构化多孔结构（Architected Porous Structures）、（2） 复合发泡（SyntacticFoaming）、（3） 预制打印结构后发泡（Post-foamingof Printed Parts）、（4）含发泡剂长丝原位发泡（InSitu Foaming of Filaments Containing Blowing Agent）。

结构化多孔结构法是通过将孔单元逐层构建形成泡沫，这与传统定义的发泡有很大区别。其技术特点是泡孔几何结构可根据应用需要进行个性化设计，且设计几乎不受限制，而泡孔、泡孔壁和泡孔棱的最小尺寸受到增材制造工艺的限制，通常要比传统发泡技术大得多。

复合发泡法是通过使用含有中空微球或可溶性填料的聚合物直接进行打印。制备的聚合物多孔结构材料，随着中空微球含量的增加，拉伸模量增加，而拉伸强度和韧性降低，这是由于在带有空心微珠的打印部件的层之间形成了大的空隙。此外，尽管低密度微球的含量很高，但是打印的多孔结构材料最终密度仍然很高。

预制打印结构后发泡法（图1）是通过预先打印结构（不一定是多孔结构）然后进行发泡，打印结构材料经发泡后弹性和吸能效率得到改善。目前，预制打印结构后发泡法应用在实验室规模，无法扩展到工业生产。

图2 预饱和长丝的泡沫3D打印示意图

含发泡剂打印长丝原位发泡法（图2）是通过采用含有发泡剂的打印长丝进行打印，在打印过程中高温下压力释放发生原位发泡。虽然该技术目前处于早期研究阶段，但被认为是发泡与打印技术结合成功制造复杂结构泡沫的最实用途径。在这种方法中，打印长丝中溶解的发泡剂如何保持是关键，泡孔结构和膨胀倍率主要受打印线材化学结构、打印温度和速度影响，且通常形成梯度孔。
最后，受挤出、注塑发泡技术的启发，作者提出将其与现有无丝打印设备（图3）相结合，开发了一种新型、更实用的无丝泡沫3D打印的技术。

图3 无丝3D打印机示意图

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202105701