3D打印新泡沫材料可突破打印部件尺寸限制

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)悉，來自圣地亞哥加州大學的研究團隊發(fā)表于ACS Applied Materials＆Interfaces中的新材料可用于3D打印加熱時膨脹的小物體。該泡沫材料可用于建筑，航空航天和生物醫(yī)學領域。

當前的3D打印方法已經(jīng)能夠制造各種各樣的復雜結(jié)構和幾何形狀，這是通過其他制造形式不可能實現(xiàn)的。盡管聚合物增材制造(AM)在設計和幾何自由度方面打開了無數(shù)大門，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本身尺寸范圍的限制。當與成熟的聚合物加工技術（例如擠出或注塑）形成對比時，這些材料局限性變得尤為明顯，而成熟的聚合物加工技術基本上可以使用任何熱塑性聚合物來進行。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，而該團隊在這項研究中解決的正是這一局限性。

實驗室規(guī)模的聚合物3D打印通�？赏ㄟ^兩種技術實現(xiàn)：熔融沉積建模(FDM)和立體光刻(SLA)。FDM通過將熔融的熱塑性塑料通過加熱的噴嘴擠出來生產(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中使用的材料。FDM通過加熱噴嘴擠出熔融的熱塑性塑料來生產(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中使用的材料。相反，SLA通過將感光樹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，但打印對象所需的時間與其體積成正比。因此，許多商用3D打印機不適合打印大型零件，因為它們占用太多空間，并且需要過多的時間來打印，這迫使較大的物體必須由多個單獨的打印件組裝而成。然而，這些限制可以通過開發(fā)固化形成膨脹聚合物泡沫的樹脂來減輕，從而允許人們以小規(guī)�？焖俅蛴∥矬w，然后在打印后將其膨脹以達到更大的最終尺寸。根據(jù)參考文獻，使用肼基發(fā)泡劑4,4'-氧雙（N'-苯甲�；�苯磺酰肼）的噴墨3D打印配方通過改良的PolyJet系統(tǒng)顯示出高達44％的體積膨脹率。盡管這項初期工作很有希望， 它依賴于專用系統(tǒng)，并且需要在完全固化零件之前進行預膨脹，從而使該工藝不適用于SLA系統(tǒng)。盡管這項初期工作很有希望，但它依賴于專用系統(tǒng)，并且需要在完全固化零件之前進行預膨脹，從而使該工藝不適用于SLA系統(tǒng)。

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

（1）預聚物樹脂必須在1mW/cm2以下的光強度下快速固化，以允許實際的印刷時間。

（2）發(fā)泡劑的分解點必須高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)且低于固化聚合物的熔點(Tm)或分解溫度(Td)，以允許變形和捕集氣體，但不會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，以防止在印刷過程中沉淀，以確保印刷部件均勻膨脹。

（4）預聚物樹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。

研究人員測試了許多不同的樹脂配方，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導致樹脂的揮發(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)構設計在CAD上并導出到STL。將結(jié)構縮小比例打印，然后在200°C加熱并擴大到最終尺寸。(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球拍的攝影時間幀圖像顯示，在4分鐘的膨脹過程中，印刷零件的膨脹率很高（比例尺為25 mm）。

此過程應用廣泛，可讓用戶產(chǎn)生各種樣品幾何形狀，如圓柱（圖2A，B）和圓盤（圖2C，D），以及更復雜的形狀（例如Voronoi）（圖2E， F）結(jié)構或立方晶格（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。將兩個樣品從相同的樹脂浴中以0.18 mm的高度在65s的曝光下進行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”(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球相對于Anycubic構建板的尺寸，演示了生產(chǎn)的物體大于打印機的構建體積。所有比例尺10毫米。

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

通過這種方法，研究小組還可以3D打印許多其他形狀，包括船形，它的擴展尺寸可以承載約20倍的重量，風輪機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度不如聚苯乙烯泡沫塑料，但有朝一日可以用于緩沖、機翼、浮力輔助設備，甚至可用于宇航員的可擴展棲息地。

參考文獻：

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

本文來源：DOI: 10.1021/acsami.0c02683