研究人員3D列印具有可調特性的超彈性泡沫，以用於鞋類和汽車座椅

最近， 克利夫蘭開蒲賽儲大學的一個研究小組開發出了一組3D列印材料， 這些材料可能有很多有用的應用。 該專案是由Rigoberto Advincula教授與高分子科學與工程系的Qiqi Chen和Peng-Fei Cao共同完成的。 他們的研究在一篇名為“Mechanically Robust, Ultraelastic Hierarchical Foam with Tunable Properties via 3D Printing”的論文中進行了詳細介紹， 並發表在Advanced Functional Materials雜誌上。 該團隊使用粘性溶液列印（VSP）3D列印技術（也稱為直接墨水寫入（DIW））製造超彈性泡沫。

使用數位3D模型的直接列印功能可以高精度地生成複雜的結構， 使工程師能夠在微觀和宏觀尺度上對孔隙度進行大量控制。 該研究使用聚氨酯（一種常見的塑膠材料）進行。 3D列印可以使材料的結構在不同的層面上得到控制， 從而使其具有多孔性， 並顯著改善所需性能。 與模制或鑄造方法相比， 3D列印在泡沫的最終結構方面提供了更高水準的複雜性。

VSP 3D列印技術利用注射器， 將粘性油墨材料擠出到構建板上， 設置就位， 以便逐層創建3D結構。

這種3D列印技術比常規的FDM擠出方法更具優勢， 因為它可以用更多種類的材料進行列印。 這些材料包括金屬、水凝膠、氣凝膠， 以及陶瓷和熱塑性塑膠。

在3D列印技術中使用的油墨是觸變性材料， 這意味著它不流暢， 並且在外部應力下可變形。 這些油墨通過簡單的一鍋法製備， 其中將二重納米顆粒（納米粘土和二氧化矽納米顆粒）分散在聚氨酯懸浮液中。

精確控制油墨的粘度， 以及注射器的設計、列印參數和3D設計本身， 都可以對最終3D列印結構進行高度控制。 熱塑性聚氨酯（TPU）是用分級多孔結構製造的。 在宏觀尺度上， 通過將它們放置在最初的3D設計中， 在結構中製造更大尺寸的孔。 在下一級時， 當物體浸入水中時， 通過印後相分離過程產生大的微孔。

通過化學蝕刻產生最小的微孔。

得到的TPU泡沫結構重量輕， 並且表現出良好的機械強度。 它們還擁有前所未有的彈性， 超過1000次的壓縮迴圈， 以及卓越的堅固性， 在超過其自身重量20,000倍的負載之後迅速完全恢復。

超彈性泡沫的機械性能可以根據它們的應用進行調整。

他們的導電性能也是如此。 作為演示， 將由泡沫製成的小海綿浸入碳納米管（CNT）在水中的溶液中。 由於van de Waal的強大力量， 碳納米管緊緊抓住TPU泡沫的表面。 乾燥後， 將泡沫貼在電路板上並用作高靈敏的電阻式電阻率感測器。 這實際上是一個彈性電源開關， 可以將其壓縮以打開或關閉電路。

除了柔性電子設備外， 這種3D可列印TPU泡沫還可用於改善聚氨酯的許多其他現有應用， 包括鞋類（如New Balance的3D列印鞋子）、汽車座椅、包裝和組織工程腳手架。 油墨混合物也可以改變， 以獲得與聚氨酯以外的塑膠類似的效果。