V光聚合3D打印技术可制造出超强“弹性泡沫”
2025-06-27
什么是聚合物泡沫？
聚合物泡沫，尤其是软聚合物泡沫，已被广泛应用于各种工业领域。对定制泡沫结构的需求日益增长，尤其是在航空航天、生物医学、半导体和汽车等行业。通过对聚合物泡沫的研究…… 3D打印 多年来，3D打印技术主要集中于熔融沉积成型（FFF）技术和直接墨水书写技术。然而，采用挤出式3D打印技术制备的泡沫材料层间单元分布不均匀。此外，由于线材直径的限制，难以打印具有高精度几何结构的零件，从而无法满足特定的应用场景。V型光聚合技术具有优异的制造精度，使其成为制备高精度聚合物泡沫的理想选择。然而，这种高精度很大程度上依赖于限制链分离的高交联密度，而发泡过程又依赖于聚合物链的柔韧性。
为什么？3D打印聚合物泡沫的局限性是什么？
据报道，采用包括高内相乳液模板法和溶剂蚀刻技术在内的发泡策略，可以制备通过光聚合3D打印的聚合物泡沫部件。然而，这些方法面临着制造精度不理想和膨胀率不可控等挑战。通过调整紫外光固化树脂中低聚物和单体的组成，并降低紫外光固化后生坯的交联密度，可以制备膨胀率可控的紫外光固化树脂发泡件。然而，如何获得兼顾高精度和高膨胀率的最佳交联密度仍然是一个挑战，也是目前的研究课题。结果表明，在高交联密度的固化紫外光固化树脂中，发泡剂的主要作用是抑制裂纹形成和增强韧性。然而，这种作用限制了发泡剂促进显著膨胀的有效性（图1a）。已有报道指出，可以使用仅含单体的紫外光固化树脂通过v-光聚合技术打印泡沫材料，但这些方法会严重影响打印精度或泡沫材料的力学性能（图1b）。降低紫外光固化部件内的交联密度，并通过外部刺激促进细胞自由膨胀，同时保持聚合物的关键交联密度，是制备高性能v-光聚合打印泡沫部件的一种很有前景的方法。
HOW——一种基于光固化3D打印的新型聚氨酯泡沫材料，成功实现了高精度打印和高膨胀率之间的平衡。
图1展示了利用光固化法制备高性能泡沫材料的研究思路和实验结果。 3D打印技术研究团队开发了一种适用于光固化3D打印的发泡树脂体系。该体系以特殊的聚氨酯甲基丙烯酸酯（PUB）为主要成分，并结合热膨胀微球（TEMs）作为发泡剂。实验中，通过调节PUB的含量和TEMs的比例，成功实现了高精度打印和可控发泡之间的平衡。结果表明，该树脂体系在打印过程中具有高精度和高成功率，且所得发泡材料具有优异的力学性能，例如拉伸应变高达650%，密度为0.25 g/cm³。此外，通过改变PUB与单体的比例，可以调节泡沫的密度和力学性能，以满足不同的应用需求。这项研究解决了传统光固化3D打印技术在制备泡沫材料时难以兼顾精度和发泡性能的问题，并为高性能泡沫材料的定制化制造提供了一种新方法。
图2展示了采用光固化3D打印技术制备的高性能泡沫材料的实验结果和性能验证。实验中，研究人员首先测试了不同配方光固化树脂在3D打印过程中的精度和发泡性能。结果表明，以PUB和IBOMA为主要成分，TEMs为发泡剂的树脂体系，能够实现高精度打印，并在加热后实现均匀的体积膨胀。热处理后，打印样品表现出优异的力学性能，例如拉伸应变高达650%，密度为0.25 g/cm³。此外，实验还利用扫描电子显微镜（SEM）观察了泡沫的微观结构，发现其具有闭孔结构，这是传统蚀刻或乳化方法无法实现的。通过有限元分析（FEA）模拟发泡过程，研究人员能够准确预测泡沫的膨胀行为和尺寸变化。最后，研究人员将这种 3D 打印泡沫应用于鞋中底的制造，验证了其在实际工业应用中的潜力，并证明这种泡沫材料不仅具有优异的机械性能，还可以与现有的制造工艺无缝集成。
图3展示了采用光固化3D打印技术制备的泡沫材料力学性能的研究。实验中，研究人员通过改变光固化树脂中单体的种类和含量，制备了不同密度和力学性能的泡沫样品，并对其进行了压缩和拉伸试验。结果表明，泡沫材料的抗压强度和拉伸强度均随密度的增加而显著提高，在高密度下，其力学性能可与商用聚氨酯泡沫媲美，甚至更优。特别是，IBOMA30系列样品在密度为0.4 g/cm³时，抗压强度达到22 MPa，远高于其他样品。 3D打印泡沫材料此外，通过调整单体的种类和含量，可以实现从高刚性到高韧性的性能调节。实验还发现，使用不同官能度的胺类扩链剂（例如二胺和三胺）可以显著影响聚合物链的交联密度和分子链的缠结程度，从而调节泡沫材料的力学性能。例如，使用三胺扩链剂的样品表现出更高的交联密度和强度，而使用二胺扩链剂的样品则具有更好的柔韧性和延展性。这些结果表明，通过精确控制光固化树脂的组成和后处理条件，可以灵活地调节3D打印泡沫材料的力学性能，以满足不同应用场景的需求。
图4展示了采用光固化3D打印技术制备的高性能泡沫材料在实际应用中的性能和潜力。实验中，研究人员使用LCD光固化3D打印机制造了具有不同晶格结构的泡沫组件，并测试了它们在减重、能量吸收和缓冲保护方面的性能。结果表明，通过优化晶格结构，3D打印泡沫可以在极低密度（例如0.05 g/cm³）下实现极高的强度重量比，例如，它可以承受自身重量625倍的载荷；而在较高密度（例如0.08 g/cm³）下，它可以承受成年人（75 kg）的重量而不变形。此外，3D打印泡沫在能量吸收方面表现良好，与未发泡的晶格结构相比，其吸收的压缩能量提高了10倍以上。在缓冲保护实验中，3D打印泡沫材料能够有效保护玻璃免受冲击损伤，而未加保护的玻璃在相同条件下则会破碎。这些结果表明，3D打印泡沫材料不仅具有优异的力学性能和能量吸收能力，还具有良好的形状适应性和热恢复性能，使其在轻质结构材料和缓冲保护领域具有广阔的应用前景。
结论：本文研究了一种基于光固化3D打印技术的高性能泡沫材料制备方法及其应用潜力。通过引入聚氨酯甲基丙烯酸酯（PUB）和热膨胀微球（TEMs），研究团队成功开发了一种可发泡的光固化树脂体系，实现了高精度打印和可控发泡的平衡。实验结果表明，该泡沫材料具有优异的力学性能，例如拉伸应变高达650%，密度为0.25 g/cm³。同时，通过调节单体的种类和含量，可以实现从高刚性到高韧性的性能调控。此外，3D打印泡沫材料在实际应用中表现出色，在极低的密度下实现了极高的强度重量比，并展现出优异的能量吸收能力和缓冲保护性能。这些特性使其在轻质结构材料和缓冲保护领域具有广阔的应用前景。