V光聚合3D列印技術可製造出超強“彈性泡沫”
2025-06-27
什麼是聚合物泡沫？
聚合物泡沫，尤其是軟聚合物泡沫，已被廣泛應用於各種工業領域。對客製化泡棉結構的需求日益增長，尤其是在航空航太、生物醫學、半導體和汽車等行業。透過對聚合物泡沫的研究… 3D列印 多年來，3D列印技術主要集中在熔融沈積成型（FFF）技術和直接墨水書寫技術。然而，採用擠出式3D列印技術製備的泡沫材料層間單元分佈不均。此外，由於線材直徑的限制，難以列印具有高精度幾何結構的零件，因此無法滿足特定的應用場景。 V型光聚合技術具有優異的製造精度，使其成為製備高精度聚合物泡棉的理想選擇。然而，這種高精度很大程度上依賴於限制鏈分離的高交聯密度，而發泡過程又依賴聚合物鏈的柔韌性。
為什麼？ 3D列印聚合物泡沫的限制是什麼？
據報道，採用包括高內相乳液模板法和溶劑蝕刻技術在內的發泡策略，可以製備透過光聚合3D列印的聚合物泡棉零件。然而，這些方法面臨製造精度不理想和膨脹率不可控等挑戰。透過調整紫外光固化樹脂中低聚物和單體的組成，並降低紫外光固化後生坯的交聯密度，可以製備膨脹率可控制的紫外光固化樹脂發泡件。然而，如何獲得兼顧高精度和高膨脹率的最佳交聯密度仍然是一個挑戰，也是目前的研究主題。結果表明，在高交聯密度的固化紫外光固化樹脂中，發泡劑的主要作用是抑制裂紋形成和增強韌性。然而，這種作用限制了發泡劑促進顯著膨脹的有效性（圖1a）。已有報告指出，可以使用僅含單體的紫外光固化樹脂透過v-光聚合技術列印泡沫材料，但這些方法會嚴重影響列印精度或泡沫材料的機械性能（圖1b）。降低紫外光固化零件內的交聯密度，並透過外部刺激促進細胞自由膨脹，同時保持聚合物的關鍵交聯密度，是製備高性能v-光聚合列印泡沫零件的一種很有前景的方法。
HOW－一種基於光固化3D列印的新型聚氨酯泡沫材料，成功實現了高精度列印和高膨脹率之間的平衡。
圖1展示了利用光固化法製備高性能泡沫材料的研究想法與實驗結果。 3D列印技術研究團隊開發了適用於光固化3D列印的發泡樹脂體系。此體係以特殊的聚氨酯甲基丙烯酸酯（PUB）為主要成分，並結合熱膨脹微球（TEMs）作為發泡劑。實驗中，透過調節PUB的含量和TEMs的比例，成功實現了高精度列印和可控發泡之間的平衡。結果表明，該樹脂體系在列印過程中具有高精度和高成功率，且所得發泡材料具有優異的機械性能，例如拉伸應變高達650%，密度為0.25 g/cm³。此外，透過改變PUB與單體的比例，可以調節泡棉的密度和機械性能，以滿足不同的應用需求。這項研究解決了傳統光固化3D列印技術在製備泡沫材料時難以兼顧精度和發泡性能的問題，並為高性能泡沫材料的客製化製造提供了一種新方法。
圖2展示了採用光固化3D列印技術製備的高性能泡沫材料的實驗結果和性能驗證。實驗中，研究人員首先測試了不同配方光固化樹脂在3D列印過程中的精度和發泡性能。結果表明，以PUB和IBOMA為主要成分，TEMs為發泡劑的樹脂體系，能夠實現高精度列印，並在加熱後實現均勻的體積膨脹。熱處理後，列印樣品表現出優異的機械性能，例如拉伸應變高達650%，密度為0.25 g/cm³。此外，實驗也利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了泡棉的微觀結構，發現其具有閉孔結構，這是傳統蝕刻或乳化方法無法實現的。透過有限元素分析（FEA）模擬發泡過程，研究人員能夠準確預測泡沫的膨脹行為和尺寸變化。最後，研究人員將這種 3D 列印泡沫應用於鞋中底的製造，驗證了其在實際工業應用中的潛力，並證明這種泡沫材料不僅具有優異的機械性能，還可以與現有的製造流程無縫整合。
圖3展示了採用光固化3D列印技術製備的泡沫材料力學特性的研究。實驗中，研究人員透過改變光固化樹脂中單體的種類和含量，製備了不同密度和機械性能的泡棉樣品，並對其進行了壓縮和拉伸試驗。結果表明，泡棉材料的抗壓強度和拉伸強度均隨密度的增加而顯著提高，在高密度下，其機械性能可與商用聚氨酯泡棉媲美，甚至更優。特別是，IBOMA30系列樣品在密度為0.4 g/cm³時，抗壓強度達到22 MPa，遠高於其他樣品。 3D列印泡沫材料此外，透過調整單體的種類和含量，可以實現從高剛性到高韌性的性能調節。實驗也發現，使用不同官能度的胺類擴鏈劑（例如二胺和三胺）可以顯著影響聚合物鏈的交聯密度和分子鏈的纏結程度，從而調節泡沫材料的機械性能。例如，使用三胺擴鏈劑的樣品表現出更高的交聯密度和強度，而使用二胺擴鏈劑的樣品則具有更好的柔韌性和延展性。這些結果表明，透過精確控制光固化樹脂的組成和後處理條件，可以靈活地調節3D列印泡沫材料的機械性能，以滿足不同應用場景的需求。
圖4展示了採用光固化3D列印技術製備的高性能泡沫材料在實際應用中的性能和潛力。實驗中，研究人員使用LCD光固化3D列印機製造了具有不同晶格結構的泡棉組件，並測試了它們在減重、能量吸收和緩衝保護方面的性能。結果表明，透過優化晶格結構，3D列印泡沫可以在極低密度（例如0.05 g/cm³）下實現極高的強度重量比，例如，它可以承受自身重量625倍的負荷；而在較高密度（例如0.08 g/cm³）下，它可以承受成年人（75 kg）的重量而不變形。此外，3D列印泡棉在能量吸收方面表現良好，與未發泡的晶格結構相比，其吸收的壓縮能量提高了10倍以上。在緩衝保護實驗中，3D列印泡棉材質能夠有效保護玻璃免受衝擊損傷，而未加保護的玻璃在相同條件下則會破碎。這些結果表明，3D列印泡沫材料不僅具有優異的機械性能和能量吸收能力，還具有良好的形狀適應性和熱恢復性能，使其在輕質結構材料和緩衝保護領域具有廣泛的應用前景。
結論：本文研究了一種基於光固化3D列印技術的高性能泡沫材料製備方法及其應用潛力。透過引入聚氨酯甲基丙烯酸酯（PUB）和熱膨脹微球（TEMs），研究團隊成功開發了一種可發泡的光固化樹脂體系，實現了高精度列印和可控發泡的平衡。實驗結果表明，該泡沫材料具有優異的機械性能，例如拉伸應變高達650%，密度為0.25 g/cm³。同時，透過調節單體的種類和含量，可以實現從高剛性到高韌性的性能調控。此外，3D列印泡棉材質在實際應用中表現出色，在極低的密度下實現了極高的強度重量比，並展現出優異的能量吸收能力和緩衝保護性能。這些特性使其在輕質結構材料和緩衝保護領域具有廣泛的應用前景。