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La impresión 3D mediante fotopolimerización en V crea una “espuma elástica” súper resistente.
27/06/2025
¿QUÉ es la espuma de polímero?
Las espumas poliméricas, especialmente las espumas poliméricas blandas, se han utilizado ampliamente en una amplia gama de aplicaciones industriales. La demanda de estructuras de espuma específicas para el cliente está creciendo, especialmente en aplicaciones como las industrias aeroespacial, biomédica, de semiconductores y automotriz. La investigación sobre espumas poliméricas a través de Impresión 3D Se ha llevado a cabo durante muchos años, centrándose principalmente en la tecnología de fabricación por filamento fundido (FFF) y la tecnología de escritura de tinta directa. Sin embargo, las espumas fabricadas mediante impresión 3D por extrusión presentan una distribución desigual de las unidades interlaminares. Además, debido a la limitación del diámetro del filamento, resulta difícil imprimir piezas con estructuras geométricas de alta precisión, lo que imposibilita el cumplimiento de los escenarios de aplicación especificados. La fotopolimerización V proporciona una excelente precisión de fabricación, lo que la convierte en una candidata prometedora para la preparación de espumas poliméricas de alta precisión. No obstante, dicha alta precisión depende en gran medida de la alta densidad de reticulación que limita la separación de las cadenas, mientras que el proceso de espumado depende de la flexibilidad de la cadena polimérica.
¿POR QUÉ? ¿Cuáles son las limitaciones de la impresión 3D de espumas poliméricas?
Se informa que el uso de estrategias de espumado que incluyen el método de plantilla de emulsión de fase interna alta y elementos del método de tecnología de grabado con solvente pueden preparar piezas de espuma de polímero impresas por impresión 3D de fotopolimerización v. Sin embargo, estos métodos enfrentan desafíos tales como precisión de fabricación insatisfactoria y relación de expansión incontrolable. Ajustar la composición de oligómeros y monómeros en resinas curables por UV y reducir la densidad de reticulación de la pieza verde después del curado UV puede preparar resinas curables por UV espumadas con relación de expansión controlable. Sin embargo, lograr la densidad de reticulación óptima que equilibre alta precisión y alta relación de expansión sigue siendo un desafío y un tema de investigación. Los resultados muestran que en resinas curables por UV curadas con alta densidad de reticulación, el papel principal del agente espumante es inhibir la formación de grietas y mejorar la tenacidad. Sin embargo, este papel limita su efectividad para promover una expansión significativa del agente espumante (Fig. 1a). Existen informes sobre el uso de resinas fotopolimerizables UV que contienen únicamente monómeros para imprimir espumas mediante fotopolimerización en fase vítrea, pero estos métodos comprometen seriamente la precisión de impresión y las propiedades mecánicas de las espumas (Fig. 1b). Reducir la densidad de reticulación en las piezas fotopolimerizadas UV y promover la expansión libre de las celdas mediante estimulación externa, manteniendo al mismo tiempo la densidad de reticulación crítica del polímero, es un método prometedor para la preparación de piezas de espuma impresas mediante fotopolimerización en fase vítrea de alto rendimiento.
HOW, un nuevo material de espuma de poliuretano basado en la impresión 3D fotocurada, logra con éxito un equilibrio entre la impresión de alta precisión y la alta relación de expansión.
La Figura 1 muestra las ideas de investigación y los resultados experimentales de la preparación de materiales de espuma de alto rendimiento mediante fotocurado. tecnología de impresión 3DEl equipo de investigación desarrolló un sistema de resina espumable apto para la impresión 3D fotocurada, mediante la introducción de un metacrilato de poliuretano (PUB) especial como componente principal y la combinación de microesferas termoexpandibles (TEM) como agente espumante. En el experimento, ajustando el contenido de PUB y la proporción de TEM, se logró con éxito un equilibrio entre la impresión de alta precisión y la formación de espuma controlable. Los resultados demostraron que este sistema de resina ofrece alta precisión y una elevada tasa de éxito en el proceso de impresión, y que el material espumado resultante posee excelentes propiedades mecánicas, como una deformación por tracción de hasta el 650 % y una densidad de 0,25 g/cm³. Además, al modificar la proporción de PUB respecto al monómero, se pueden ajustar la densidad y las propiedades mecánicas de la espuma para satisfacer diferentes requisitos de aplicación. Este estudio resuelve el problema de la dificultad para equilibrar la precisión y el rendimiento de la formación de espuma que presenta la tecnología tradicional de impresión 3D fotocurada en la preparación de materiales espumados, y proporciona un nuevo método para la fabricación personalizada de materiales espumados de alto rendimiento.
La Figura 2 muestra los resultados experimentales y la verificación del rendimiento de materiales de espuma de alto rendimiento preparados mediante tecnología de impresión 3D fotocurable. En el experimento, los investigadores probaron primero la precisión y el rendimiento de espumado de resinas fotocurables con diferentes formulaciones durante la impresión 3D. Los resultados mostraron que el sistema de resina que utiliza PUB e IBOMA como componentes principales, combinado con TEM como agente espumante, puede lograr una impresión de alta precisión y una expansión de volumen uniforme después del calentamiento. Después del tratamiento térmico, las muestras impresas mostraron excelentes propiedades mecánicas, como una deformación por tracción de hasta 650 % y una densidad de 0,25 g/cm³. Además, el experimento también observó la microestructura de la espuma mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y encontró que tenía una estructura de celda cerrada, que no se podía lograr con los métodos tradicionales de grabado o emulsificación. Al simular el proceso de espumado mediante análisis de elementos finitos (FEA), los investigadores pudieron predecir con precisión el comportamiento de expansión y los cambios dimensionales de la espuma. Finalmente, los investigadores aplicaron esta espuma impresa en 3D a la fabricación de entresuelas de zapatos, verificando su potencial en aplicaciones industriales prácticas y demostrando que este material de espuma no solo tiene excelentes propiedades mecánicas, sino que también puede integrarse perfectamente con los procesos de fabricación existentes.
La Figura 3 muestra el estudio de las propiedades mecánicas de materiales de espuma preparados mediante tecnología de impresión 3D fotocurable. En el experimento, los investigadores prepararon muestras de espuma con diferentes densidades y propiedades mecánicas cambiando el tipo y el contenido de monómeros en la resina fotocurable, y realizaron pruebas de compresión y tracción en ellas. Los resultados mostraron que la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción del material de espuma aumentaron significativamente con el aumento de la densidad, y a alta densidad, mostró propiedades mecánicas comparables o incluso superiores a las de la espuma de poliuretano comercial. En particular, las muestras de la serie IBOMA30 tienen una resistencia a la compresión de 22 MPa a una densidad de 0,4 g/cm³, que es mucho mayor que otras materiales de espuma impresos en 3DAdemás, ajustando el tipo y el contenido de monómeros, se puede lograr un ajuste del rendimiento desde una alta rigidez hasta una alta tenacidad. El experimento también reveló que el uso de extensores de cadena de amina con diferentes funciones (como diaminas y triaminas) puede afectar significativamente la densidad de reticulación de la cadena polimérica y el grado de entrelazamiento de la cadena molecular, ajustando así las propiedades mecánicas de la espuma. Por ejemplo, las muestras que utilizaron extensores de cadena de triamina mostraron una mayor densidad de reticulación y resistencia, mientras que las muestras que utilizaron extensores de cadena de diamina presentaron mayor flexibilidad y ductilidad. Estos resultados demuestran que, controlando con precisión la composición y las condiciones de postprocesamiento de la resina fotocurable, las propiedades mecánicas de los materiales de espuma impresos en 3D pueden ajustarse de forma flexible para satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación.
La Figura 4 muestra el rendimiento y el potencial de los materiales de espuma de alto rendimiento preparados mediante tecnología de impresión 3D fotocurada en aplicaciones prácticas. En el experimento, los investigadores utilizaron una impresora 3D fotocurada LCD para fabricar componentes de espuma con diferentes estructuras reticulares y probaron su rendimiento en reducción de peso, absorción de energía y protección de amortiguación. Los resultados muestran que, al optimizar la estructura reticular, la espuma impresa en 3D puede alcanzar una relación resistencia-peso extremadamente alta a una densidad extremadamente baja (como 0,05 g/cm³), por ejemplo, puede soportar una carga de 625 veces su propio peso, y a una densidad mayor (como 0,08 g/cm³), puede soportar el peso de un adulto (75 kg) sin deformarse. Además, la espuma impresa en 3D tiene un buen rendimiento en absorción de energía, y la energía de compresión absorbida aumenta en más de 10 veces en comparación con la estructura reticular sin espumar. En el experimento de protección de amortiguación, la espuma impresa en 3D protege eficazmente el vidrio de los daños por impacto, mientras que el vidrio sin protección se rompe en las mismas condiciones. Estos resultados demuestran que la espuma impresa en 3D no solo posee excelentes propiedades mecánicas y capacidad de absorción de energía, sino también buena adaptabilidad de forma y propiedades de recuperación térmica, lo que le confiere amplias perspectivas de aplicación en el campo de los materiales estructurales ligeros y la protección de amortiguación.
Conclusión: Este artículo estudia un método de preparación de materiales de espuma de alto rendimiento basado en la tecnología de impresión 3D fotocurable y su potencial de aplicación. Mediante la introducción de metacrilato de poliuretano (PUB) y microesferas termoexpandibles (TEM), el equipo de investigación desarrolló con éxito un sistema de resina fotocurable espumable que logra un equilibrio entre la impresión de alta precisión y la formación de espuma controlable. Los resultados experimentales muestran que este material de espuma posee excelentes propiedades mecánicas, como una deformación por tracción de hasta el 650 % y una densidad de 0,25 g/cm³. Asimismo, ajustando el tipo y el contenido de monómeros, se puede lograr un ajuste del rendimiento desde una alta rigidez hasta una alta tenacidad. Además, las espumas impresas en 3D presentan un buen desempeño en aplicaciones prácticas, alcanzando relaciones resistencia-peso extremadamente altas a densidades extremadamente bajas, y exhibiendo una excelente capacidad de absorción de energía y un rendimiento de protección amortiguadora. Estas características le otorgan amplias perspectivas de aplicación en los campos de materiales estructurales ligeros y protección amortiguadora.