《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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轻质高能吸复合材料的混合增材制造方法，通过波形壳体设计、UV固化泡沫树脂与微波选择性加热协同作用，实现壳体与泡沫芯的多材料精准集成，解决了传统工艺中均匀发泡和界面结合难题。
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
台湾高速3D打印研究中心，国立台湾科技大学，基隆路4段43号，台北106，中国台湾
引言
开发高性能、轻质且具有能量吸收能力的材料是许多工程领域面临的主要挑战，从航空航天和汽车工程到建筑行业[1]、[2]。根本目标是设计出能够在可控且非灾难性变形的情况下分散大量动能的结构，同时将质量降至最低，这种性能被称为比能量吸收（SEA）[3]、[4]。
提高薄壁结构功能性能的最佳策略之一是填充泡沫[5]、[6]、[7]、[8]。这种方法形成了一种复合材料系统，其中壳体与填充泡沫之间的相互作用产生了超过各部分总和的机械性能。泡沫芯提供了内部支撑，防止薄壁过早向内屈曲（欧拉屈曲），并促进更渐进、更稳定的破坏模式，通常将响应从整体屈曲转变为局部屈曲[9]、[10]。同样，周围的封闭壳体在加载条件下限制了泡沫的横向膨胀，通过“约束效应”有效提高了泡沫的抗压屈服强度和平台应力[11]、[12]。增材制造（AM）的最新进展极大地扩展了这类能量吸收结构的设计自由度[13]、[14]。AM使得可以精确实现触发几何形状和壁厚变化，从而定制结构的抗撞性能[15]、[16]。然而，通过常见聚合物AM工艺生产的部件通常是均匀且整体的，这限制了它们的多功能性能以及实现真正的“按设计选材”概念[17]。
由于这一限制，混合增材制造应运而生，它将AM与互补工艺结合，创造出多材料、功能分级的组件[18]、[19]，例如在打印过程中嵌入连续纤维以进行局部增强[20]、[21]，沉积导电轨迹用于电子元件[22]，或用二次材料渗透打印支架[23]、[24]。3D打印的相关子类别涉及创建填充泡沫的结构。以往的方法主要集中在：(i) 打印壳体并手动将基于泡沫的材料插入块状或腔体中[25]，(ii) 使用双材料系统共同打印，其中一个组件可以在后续去除以创建孔隙率[26]，或 (iii) 直接打印类似泡沫的晶格结构[27]。在文献中，关于从液态树脂原位创建封闭孔隙泡沫芯的方法存在显著空白，这一过程可以提供对芯体几何形状、密度梯度以及界面结合的更好控制。
材料的微波处理具有多种优势，包括快速体积加热和潜在的能量效率[28]、[29]。在聚合物科学中，微波用于固化热固性材料[30]，特别是用于复合材料的各种加工[31]。商业上可热膨胀的微球在加热到其激活温度以上时迅速膨胀，这些微球内部封装了易挥发的碳氢化合物[32]。
使用微波对3D打印壳体内的UV交联树脂进行发泡是一种新颖的制造策略。这种多材料微波加热依赖于所用材料的差异性微波吸收（由介电损耗因子决定）。对于在热塑性壳体内部原位发泡芯体，理想的系统应具有高介电损耗的芯体前驱体，以便高效吸收微波能量，以及低损耗的壳体材料，以在辐照过程中保持结构完整性。这种选择性加热对于实现均匀发泡而不扭曲3D打印壳体至关重要。该方法的关键挑战包括在不损坏壳体的情况下实现均匀发泡（因为在发泡过程中，内壳壁可能会经历巨大的发泡压力），控制所得封闭孔隙泡沫的形态（孔径大小、分布和密度）[33]，以及确保不同聚合物基底（壳体和聚合物泡沫）之间的强界面粘附[34]。这种加工方法对最终复合材料的准静态机械性能的影响尚未得到充分研究。
本研究提出了一个用于制造轻质、能量吸收复合材料的新型混合AM工作流程的全面框架。本文研究的球形波形壳体包含正弦波纹，旨在在微波发泡过程中吸收发泡压力，并在压缩过程中提供稳定且渐进的屈曲。这项研究的主要创新在于填充二次材料的顺序原位处理：首先，光聚合（UV固化）填充树脂以形成交联结构，然后通过微波发生器进行体积膨胀。这一过程涉及两种材料：一种材料被能量激活（交联泡沫），另一种材料不被激活（外壳）。因此，交联泡沫在微波中膨胀时不会改变外壳的热性质。UV固化是一种成熟的快速原型制作和制造技术，因其速度和室温加工而受到重视[35]、[36]。它与AM的结合（通常是在立体光刻（SLA）或数字光处理（DLP）中）很常见[37]，但作为FFF打印壳体中的二次固化步骤的应用较少探索。此外，由于所选基础材料的颗粒间相互作用，控制配方泡沫树脂的流变性能至关重要。
部分摘录
波形壳体设计与增材制造
在这项研究中，设计波形壳体非常重要，因为它需要同时考虑三个关键功能：(i) 在压缩过程中实现渐进能量吸收的特定几何特征，(ii) 作为液态树脂和后续发泡过程的容器，以及 (iii) 在微波诱导的芯体膨胀过程中承受内部压力而不发生结构失效。初步设计概念包括简单的...
泡沫树脂的微波吸收特性
对UV固化、未发泡的泡沫树脂（芯体前驱体）的介电特性在0–15 GHz的频率范围内进行了表征，以评估其固有的微波吸收能力，这对后续的发泡阶段至关重要。图4(a)展示了损耗正切（tanδ）曲线，该曲线量化了微波能量转换为热量的效率。交联泡沫树脂在频率范围内表现出稳定的损耗特性，其tanδ值为0.023。
设计意义与未来展望
本研究提供了一个混合设计-制造模型的全面框架，其中增材制造实现了复杂的几何形状，而集成材料处理引入了定制的功能。经过验证的关键参数包括使用球形波形壳体来承受发泡压力，通过顺序局部填充确保复合材料坚固且无孔隙，以及设计介电差异（低损耗的PC壳体、高损耗的芯体泡沫）以实现选择性...
结论
本研究采用了一种混合增材制造方法，将熔融丝材制造与原位泡沫树脂填充、UV固化以及选择性微波发泡相结合，生产出具有可控内部结构的轻质、填充泡沫的聚碳酸酯壳体。其基本原理是泡沫前驱体与聚碳酸酯壳体之间的介电对比，这使得芯体能够选择性地进行体积微波加热，同时保持壳体温度不变。
CRediT作者贡献声明
Sohail Ali：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，软件，方法论，数据管理，概念化，研究。
Jeng-Ywan Jeng：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。
Bing Joe Hwang：资源管理，项目协调，资金获取。
Wei-Nien Su：资源管理，项目协调，资金获取。
Ding-Bing Lin：项目协调，资源管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家科学技术委员会（NSTC）的财政支持：113-2923-E-011-004-MY3、114-2221-E-011-106，以及台湾教育部的可持续电化学能源发展中心（SEED中心）在特色区域研究中心计划中的支持。
