淺析固體環(huán)氧樹脂在3D打印中的應用，以及改善其各向同性性能的研究

2022年5月5日，固體環(huán)氧樹脂被廣泛用于3D打印，適用于生產(chǎn)各種功能化的組件。南極熊根據(jù)一名叫Reginald Davey的科學撰稿人，對3D打印的理解進行整編。本文將著眼于這些樹脂在增材制造中的應用，以及最近關于改善其各向同性性能，關于制造具有增強溫度和應變檢測能力的材料的研究。

△淺析固體環(huán)氧樹脂在3D打印中的應用。圖片來自Shutterstock

環(huán)氧樹脂和增材制造
增材制造是一項創(chuàng)新技術，正在顛覆多個行業(yè)和研究領域。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術具有多種優(yōu)勢，例如減少浪費、更自由的設計、低成本、快速生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)和集成組裝等等。

環(huán)氧樹脂作為材料適用于許多設備和組件。例如傳統(tǒng)工藝下的汽車零部件、印刷電子材料、涂料、粘合劑和纖維增強等復合材料。

△環(huán)氧樹脂用于3D打印的準備階段示意圖。圖片來自Google

3D打印環(huán)氧樹脂，由于樹脂成本低和能夠快速生產(chǎn)復雜幾何形狀，而具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢。固化、樹脂的類型、光引發(fā)劑和固化劑的作用，以及打印部件的性能等技術，是研究這些先進材料的關鍵要素。優(yōu)化打印工藝和材料特性，對于提高3D打印環(huán)氧樹脂基材料和組件的商業(yè)可行性至關重要。

各向同性材料
在各向同性材料中，在多個方向進行測試時，材料特性保持不變。這些材料與各向異性材料不同，各向異性材料在多個方向測試時具有不同的特性。各向同性材料的示例包括金屬、塑料和玻璃等。在表現(xiàn)出各向異性行為的環(huán)氧樹脂等材料中，誘導各向同性是材料學研究中的一個重要方向，以生產(chǎn)具有增強機械性能和功能性的組件。

材料擠壓3D打印
一種廣泛用于3D打印的材料擠壓 (MEX)工藝，也稱為熔融沉積成型或熔融長絲制造。
在材料擠出中，環(huán)氧樹脂長絲可以很容易地處理，因為它以固體形式存在。相比之下，選擇性激光燒結中使用的粉末和立體光刻中，使用的樹脂通常有害，需要小心處理，并具對存儲都有一定的專業(yè)要求。此外，與其他方法相比，材料擠出工藝可以處理更廣泛的材料，包括熱塑性塑料。

△固體環(huán)氧樹脂在3D打印中的應用示意圖。圖片來自Google

材料擠出工藝也比其他方法更具成本效益，并且可以使用多個擠出噴嘴輕松實現(xiàn)多材料打印。擠出材料可以用其他材料進行功能化，而不受其他技術（例如選擇性激光打?。μ砑觿┑南拗?。

然而，MEX工藝受到打印材料沉積后固化過快的阻礙。薄弱的界面結合是由層和填充線之間的擴散，以及纏結限制引起的。這種技術具有局限性，需要采用不同的技術來克服它們。

△MEX工藝用固體環(huán)氧樹脂示意。圖片來自德魯克，S等人文獻

MEX優(yōu)化方法
在已知的研究中，已經(jīng)探索了幾種方法來解決MEX打印材料的機械各向異性。
通過優(yōu)化打印速度、層高和寬度以及溫度等參數(shù)，以實現(xiàn)盡可能強的層粘合。同時，可以使用組件的最佳方向。這些方法的缺點是它們必須單獨執(zhí)行，而且設計自由度受到限制。

其他方法還包括優(yōu)化材料的特性和制造流程?？梢該饺胫T如碳納米管之類的樹脂填料，隨后使用微波輻射來加熱，并促進聚合物鏈擴散，達到改善層與層之間粘附性的作用。

一些研究報告了使用伽馬輻射來誘導長絲中的交聯(lián)性，而其他研究則使用激光來誘導每一層的熱能并改善層間粘合。但以上方式是在不考慮成本的情況下進行的，需要復雜的設備和較多的處理步驟。

在MEX打印環(huán)氧樹脂材料中實現(xiàn)各向同性
熱固性材料是另一種在MEX打印中實現(xiàn)各向同性的方法。根據(jù)3D打印的一項最新研究報告表示，首次可在低成本MEX打印機上打印熱固性聚合物長絲。該技術的特點是采用后固化工藝，它可以誘導交聯(lián)，從而克服MEX打印過程中產(chǎn)生的機械各向異性。

△3D打印壓電材料的打印階段。圖片來自Google

研究人員已將具有高分子量的固體環(huán)氧樹脂用于材料配方中。將帶有添加劑的液態(tài)環(huán)氧樹脂加入到材料配方中，從而實現(xiàn)功能性材料多功能一體化。

作者在材料中加入了單壁碳納米管，可提供導電性，他們還表示，3D打印材料中還可以加入其他特性的樹脂填料，如阻燃、抗靜電等，為多種應用提供了機會。

通過在樹脂中填入導電填料，可以打印出具有傳感能力的組件，例如壓電傳感器。此外，使用碳納米管可以將溫度傳感能力整合到智能組件中。目前已對MEX打印的溫度和應變傳感功能化材料進行了概念性驗證研究。

這些發(fā)現(xiàn)確定了進一步的研究方向，包括需要進一步研究傳感能力以及關注材料的電各向異性、可重復性和材料中不同填料負載的影響。這些研究證明了3D打印在開發(fā)具有卓越性能組件方面的潛力，并可能應用于各種先進的電氣設備。

參考文獻和延伸閱讀
德魯克，S等人。(2022)用于通過材料擠壓實現(xiàn)具有各向同性機械性能的功能性3D打印的固體環(huán)氧樹脂[url]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422001981（點我傳送門）[/url]

皮爾扎達，M等人。(2020)環(huán)氧樹脂的增材制造：材料、方法和最新趨勢

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b06870（點我傳送門）