供稿人：高爽、苗恺 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-04-23
由于聚合物之前在聚合物泡沫生产中的应用，以及他们的市场可用性、易加工性和强度重量比优势显著，聚合物迅速融入到这种结构的生产中。市场中的聚合物泡沫大多数是开孔泡沫结构，传统的制造技术很难制造出复杂的细胞结构，伴随着热膨胀微球、纳米颗粒填充的长丝的发展，采用3D打印方式制备发泡材料成为重要研究课题。通过FFF工艺制备泡沫结构难以在微观水平上精确控制细胞形态，研究团队旨在通过使用FFF工艺的新型发泡长丝通过控制打印温度实现对泡沫结构的控制。采用热塑性弹性体和热膨胀微球复合材料制成适于生产发泡零件的可发泡长丝，研究了材料打印参数对其性能的影响。
文中使用的发泡长丝为NFE长丝，由TPE-A与未发生膨胀的热膨胀微球（TEM）复合制成。
图1 FFF工艺制备样品流程
图2 不同喷嘴温度下的打印试样
综合差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）等实验结果最终得到该类热膨胀微球（TEM）的膨胀曲线。NFE长丝的DSC分析表明，长丝的软化与熔化温度低于TEM的开始膨胀温度，且在一个温度范围内，材料将保持无泡沫、开始产生泡沫与最终崩溃三个阶段的变化。
图3 TEM膨胀曲线
这项研究涉及到新型发泡长丝的物理特性及通过FFF工艺在微观水平上精确产生闭细胞形态的能力。在FFF过程中，TEM的膨胀降低了样品的密度，增加了样品的尺寸，同时减小了沉积线和层之间的空隙。因此可以通过调整FFF工艺参数来控制多孔部件的样品密度。实验结果表明，3D打印样品的密度降低主要通过提高打印机喷嘴温度进行控制，并且可以用Gompertz函数用来预测密度降低关于温度的函数。一系列的结果证明这种发泡长丝能够在较低打印温度下生产具有较高拉伸强度的样品，并且可以通过密度预测函数调整最终样件密度。这使得发泡长丝在制造梯度结构方面具有应用潜力。