《Additive Manufacturing》：Hybrid Additive Manufacturing of Waveform Polycarbonate Shells with In-Situ UV-Cured and Microwave-Foamed Core for Enhanced Energy Absorption
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輕質(zhì)高能吸復(fù)合材料的混合增材制造方法，通過波形殼體設(shè)計、UV固化泡沫樹脂與微波選擇性加熱協(xié)同作用，實現(xiàn)殼體與泡沫芯的多材料精準集成，解決了傳統(tǒng)工藝中均勻發(fā)泡和界面結(jié)合難題。
Sohail Ali | Mayur Jiyalal Prajapati | Bing Jen Hsieh | Cheng-Yi Zhuang | Ding-Bing Lin | Cho-Pei Jiang | Bing Joe Hwang | Wei-Nien Su | Jeng-Ywan Jeng
臺灣高速3D打印研究中心，國立臺灣科技大學(xué)，基隆路4段43號，臺北106，中國臺灣
引言
開發(fā)高性能、輕質(zhì)且具有能量吸收能力的材料是許多工程領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，從航空航天和汽車工程到建筑行業(yè)[1]、[2]。根本目標是設(shè)計出能夠在可控且非災(zāi)難性變形的情況下分散大量動能的結(jié)構(gòu)，同時將質(zhì)量降至最低，這種性能被稱為比能量吸收（SEA）[3]、[4]。
提高薄壁結(jié)構(gòu)功能性能的最佳策略之一是填充泡沫[5]、[6]、[7]、[8]。這種方法形成了一種復(fù)合材料系統(tǒng)，其中殼體與填充泡沫之間的相互作用產(chǎn)生了超過各部分總和的機械性能。泡沫芯提供了內(nèi)部支撐，防止薄壁過早向內(nèi)屈曲（歐拉屈曲），并促進更漸進、更穩(wěn)定的破壞模式，通常將響應(yīng)從整體屈曲轉(zhuǎn)變?yōu)榫植壳鶾9]、[10]。同樣，周圍的封閉殼體在加載條件下限制了泡沫的橫向膨脹，通過“約束效應(yīng)”有效提高了泡沫的抗壓屈服強度和平臺應(yīng)力[11]、[12]。增材制造（AM）的最新進展極大地擴展了這類能量吸收結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度[13]、[14]。AM使得可以精確實現(xiàn)觸發(fā)幾何形狀和壁厚變化，從而定制結(jié)構(gòu)的抗撞性能[15]、[16]。然而，通過常見聚合物AM工藝生產(chǎn)的部件通常是均勻且整體的，這限制了它們的多功能性能以及實現(xiàn)真正的“按設(shè)計選材”概念[17]。
由于這一限制，混合增材制造應(yīng)運而生，它將AM與互補工藝結(jié)合，創(chuàng)造出多材料、功能分級的組件[18]、[19]，例如在打印過程中嵌入連續(xù)纖維以進行局部增強[20]、[21]，沉積導(dǎo)電軌跡用于電子元件[22]，或用二次材料滲透打印支架[23]、[24]。3D打印的相關(guān)子類別涉及創(chuàng)建填充泡沫的結(jié)構(gòu)。以往的方法主要集中在：(i) 打印殼體并手動將基于泡沫的材料插入塊狀或腔體中[25]，(ii) 使用雙材料系統(tǒng)共同打印，其中一個組件可以在后續(xù)去除以創(chuàng)建孔隙率[26]，或 (iii) 直接打印類似泡沫的晶格結(jié)構(gòu)[27]。在文獻中，關(guān)于從液態(tài)樹脂原位創(chuàng)建封閉孔隙泡沫芯的方法存在顯著空白，這一過程可以提供對芯體幾何形狀、密度梯度以及界面結(jié)合的更好控制。
材料的微波處理具有多種優(yōu)勢，包括快速體積加熱和潛在的能量效率[28]、[29]。在聚合物科學(xué)中，微波用于固化熱固性材料[30]，特別是用于復(fù)合材料的各種加工[31]。商業(yè)上可熱膨脹的微球在加熱到其激活溫度以上時迅速膨脹，這些微球內(nèi)部封裝了易揮發(fā)的碳氫化合物[32]。
使用微波對3D打印殼體內(nèi)的UV交聯(lián)樹脂進行發(fā)泡是一種新穎的制造策略。這種多材料微波加熱依賴于所用材料的差異性微波吸收（由介電損耗因子決定）。對于在熱塑性殼體內(nèi)部原位發(fā)泡芯體，理想的系統(tǒng)應(yīng)具有高介電損耗的芯體前驅(qū)體，以便高效吸收微波能量，以及低損耗的殼體材料，以在輻照過程中保持結(jié)構(gòu)完整性。這種選擇性加熱對于實現(xiàn)均勻發(fā)泡而不扭曲3D打印殼體至關(guān)重要。該方法的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括在不損壞殼體的情況下實現(xiàn)均勻發(fā)泡（因為在發(fā)泡過程中，內(nèi)殼壁可能會經(jīng)歷巨大的發(fā)泡壓力），控制所得封閉孔隙泡沫的形態(tài)（孔徑大小、分布和密度）[33]，以及確保不同聚合物基底（殼體和聚合物泡沫）之間的強界面粘附[34]。這種加工方法對最終復(fù)合材料的準靜態(tài)機械性能的影響尚未得到充分研究。
本研究提出了一個用于制造輕質(zhì)、能量吸收復(fù)合材料的新型混合AM工作流程的全面框架。本文研究的球形波形殼體包含正弦波紋，旨在在微波發(fā)泡過程中吸收發(fā)泡壓力，并在壓縮過程中提供穩(wěn)定且漸進的屈曲。這項研究的主要創(chuàng)新在于填充二次材料的順序原位處理：首先，光聚合（UV固化）填充樹脂以形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，然后通過微波發(fā)生器進行體積膨脹。這一過程涉及兩種材料：一種材料被能量激活（交聯(lián)泡沫），另一種材料不被激活（外殼）。因此，交聯(lián)泡沫在微波中膨脹時不會改變外殼的熱性質(zhì)。UV固化是一種成熟的快速原型制作和制造技術(shù)，因其速度和室溫加工而受到重視[35]、[36]。它與AM的結(jié)合（通常是在立體光刻（SLA）或數(shù)字光處理（DLP）中）很常見[37]，但作為FFF打印殼體中的二次固化步驟的應(yīng)用較少探索。此外，由于所選基礎(chǔ)材料的顆粒間相互作用，控制配方泡沫樹脂的流變性能至關(guān)重要。
部分摘錄
波形殼體設(shè)計與增材制造
在這項研究中，設(shè)計波形殼體非常重要，因為它需要同時考慮三個關(guān)鍵功能：(i) 在壓縮過程中實現(xiàn)漸進能量吸收的特定幾何特征，(ii) 作為液態(tài)樹脂和后續(xù)發(fā)泡過程的容器，以及 (iii) 在微波誘導(dǎo)的芯體膨脹過程中承受內(nèi)部壓力而不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。初步設(shè)計概念包括簡單的...
泡沫樹脂的微波吸收特性
對UV固化、未發(fā)泡的泡沫樹脂（芯體前驅(qū)體）的介電特性在0–15 GHz的頻率范圍內(nèi)進行了表征，以評估其固有的微波吸收能力，這對后續(xù)的發(fā)泡階段至關(guān)重要。圖4(a)展示了損耗正切（tanδ）曲線，該曲線量化了微波能量轉(zhuǎn)換為熱量的效率。交聯(lián)泡沫樹脂在頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的損耗特性，其tanδ值為0.023。
設(shè)計意義與未來展望
本研究提供了一個混合設(shè)計-制造模型的全面框架，其中增材制造實現(xiàn)了復(fù)雜的幾何形狀，而集成材料處理引入了定制的功能。經(jīng)過驗證的關(guān)鍵參數(shù)包括使用球形波形殼體來承受發(fā)泡壓力，通過順序局部填充確保復(fù)合材料堅固且無孔隙，以及設(shè)計介電差異（低損耗的PC殼體、高損耗的芯體泡沫）以實現(xiàn)選擇性...
結(jié)論
本研究采用了一種混合增材制造方法，將熔融絲材制造與原位泡沫樹脂填充、UV固化以及選擇性微波發(fā)泡相結(jié)合，生產(chǎn)出具有可控內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、填充泡沫的聚碳酸酯殼體。其基本原理是泡沫前驅(qū)體與聚碳酸酯殼體之間的介電對比，這使得芯體能夠選擇性地進行體積微波加熱，同時保持殼體溫度不變。
CRediT作者貢獻聲明
Sohail Ali：寫作 – 審稿與編輯，撰寫原始草稿，軟件，方法論，數(shù)據(jù)管理，概念化，研究。
Jeng-Ywan Jeng：寫作 – 審稿與編輯，驗證，監(jiān)督，資源管理，項目協(xié)調(diào)，資金獲取，概念化。
Bing Joe Hwang：資源管理，項目協(xié)調(diào)，資金獲取。
Wei-Nien Su：資源管理，項目協(xié)調(diào)，資金獲取。
Ding-Bing Lin：項目協(xié)調(diào)，資源管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文報告的工作。
致謝
本研究得到了國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC）的財政支持：113-2923-E-011-004-MY3、114-2221-E-011-106，以及臺灣教育部的可持續(xù)電化學(xué)能源發(fā)展中心（SEED中心）在特色區(qū)域研究中心計劃中的支持。
