浅析固体环氧树脂在3D打印中的应用，以及改善其各向同性性能的研究

2022年5月5日，固体环氧树脂被广泛用于3D打印，适用于生产各种功能化的组件。南极熊根据一名叫Reginald Davey的科学撰稿人，对3D打印的理解进行整编。本文将着眼于这些树脂在增材制造中的应用，以及最近关于改善其各向同性性能，关于制造具有增强温度和应变检测能力的材料的研究。

△浅析固体环氧树脂在3D打印中的应用。图片来自Shutterstock

环氧树脂和增材制造
增材制造是一项创新技术，正在颠覆多个行业和研究领域。与传统制造方法相比，3D打印技术具有多种优势，例如减少浪费、更自由的设计、低成本、快速生产、小批量生产和集成组装等等。

环氧树脂作为材料适用于许多设备和组件。例如传统工艺下的汽车零部件、印刷电子材料、涂料、粘合剂和纤维增强等复合材料。

△环氧树脂用于3D打印的准备阶段示意图。图片来自Google

3D打印环氧树脂，由于树脂成本低和能够快速生产复杂几何形状，而具有优于传统材料的优势。固化、树脂的类型、光引发剂和固化剂的作用，以及打印部件的性能等技术，是研究这些先进材料的关键要素。优化打印工艺和材料特性，对于提高3D打印环氧树脂基材料和组件的商业可行性至关重要。

各向同性材料
在各向同性材料中，在多个方向进行测试时，材料特性保持不变。这些材料与各向异性材料不同，各向异性材料在多个方向测试时具有不同的特性。各向同性材料的示例包括金属、塑料和玻璃等。在表现出各向异性行为的环氧树脂等材料中，诱导各向同性是材料学研究中的一个重要方向，以生产具有增强机械性能和功能性的组件。

材料挤压3D打印
一种广泛用于3D打印的材料挤压 (MEX)工艺，也称为熔融沉积成型或熔融长丝制造。
在材料挤出中，环氧树脂长丝可以很容易地处理，因为它以固体形式存在。相比之下，选择性激光烧结中使用的粉末和立体光刻中，使用的树脂通常有害，需要小心处理，并具对存储都有一定的专业要求。此外，与其他方法相比，材料挤出工艺可以处理更广泛的材料，包括热塑性塑料。

△固体环氧树脂在3D打印中的应用示意图。图片来自Google

材料挤出工艺也比其他方法更具成本效益，并且可以使用多个挤出喷嘴轻松实现多材料打印。挤出材料可以用其他材料进行功能化，而不受其他技术（例如选择性激光打印）对添加剂的限制。

然而，MEX工艺受到打印材料沉积后固化过快的阻碍。薄弱的界面结合是由层和填充线之间的扩散，以及缠结限制引起的。这种技术具有局限性，需要采用不同的技术来克服它们。

△MEX工艺用固体环氧树脂示意。图片来自德鲁克，S等人文献

MEX优化方法
在已知的研究中，已经探索了几种方法来解决MEX打印材料的机械各向异性。
通过优化打印速度、层高和宽度以及温度等参数，以实现尽可能强的层粘合。同时，可以使用组件的最佳方向。这些方法的缺点是它们必须单独执行，而且设计自由度受到限制。

其他方法还包括优化材料的特性和制造流程。可以掺入诸如碳纳米管之类的树脂填料，随后使用微波辐射来加热，并促进聚合物链扩散，达到改善层与层之间粘附性的作用。

一些研究报告了使用伽马辐射来诱导长丝中的交联性，而其他研究则使用激光来诱导每一层的热能并改善层间粘合。但以上方式是在不考虑成本的情况下进行的，需要复杂的设备和较多的处理步骤。

在MEX打印环氧树脂材料中实现各向同性
热固性材料是另一种在MEX打印中实现各向同性的方法。根据3D打印的一项最新研究报告表示，首次可在低成本MEX打印机上打印热固性聚合物长丝。该技术的特点是采用后固化工艺，它可以诱导交联，从而克服MEX打印过程中产生的机械各向异性。

△3D打印压电材料的打印阶段。图片来自Google

研究人员已将具有高分子量的固体环氧树脂用于材料配方中。将带有添加剂的液态环氧树脂加入到材料配方中，从而实现功能性材料多功能一体化。

作者在材料中加入了单壁碳纳米管，可提供导电性，他们还表示，3D打印材料中还可以加入其他特性的树脂填料，如阻燃、抗静电等，为多种应用提供了机会。

通过在树脂中填入导电填料，可以打印出具有传感能力的组件，例如压电传感器。此外，使用碳纳米管可以将温度传感能力整合到智能组件中。目前已对MEX打印的温度和应变传感功能化材料进行了概念性验证研究。

这些发现确定了进一步的研究方向，包括需要进一步研究传感能力以及关注材料的电各向异性、可重复性和材料中不同填料负载的影响。这些研究证明了3D打印在开发具有卓越性能组件方面的潜力，并可能应用于各种先进的电气设备。

参考文献和延伸阅读
德鲁克，S等人。(2022)用于通过材料挤压实现具有各向同性机械性能的功能性3D打印的固体环氧树脂[url]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422001981（点我传送门）[/url]

皮尔扎达，M等人。(2020)环氧树脂的增材制造：材料、方法和最新趋势

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b06870（点我传送门）