在熔融长丝制造过程中原位机械发泡

基于材料挤出工艺的集成机械发泡研究，通过在注塑头内置入微孔金属介质实现二氧化碳高压注入，在连续生产中生成孔隙率25%、孔径约100微米的均匀微胞结构。

Lars Eisele|Anselm Heuer|Wilfried V. Liebig

卡尔斯鲁厄理工学院，应用材料研究所——材料科学与工程（IAM-WK），Engelbert-Arnold-Straße 4，76131 卡尔斯鲁厄，德国

摘要

在轻量化设计和功能集成背景下，通过增材制造生成泡沫结构是一个关键的技术目标。传统的发泡方法通常依赖于化学发泡剂或在后续工艺（如高压釜）中的物理发泡，这些方法需要复杂的工艺流程和高能耗。为了解决这些限制，本研究首次展示了将机械发泡集成到材料挤出过程中的可行性。开发了一种模块化喷嘴，在挤出过程中高压将二氧化碳注入聚合物熔体中。气体通过嵌入喷嘴的多孔介质进入熔体，实现可控的气体传输并防止熔体回流。这种机制使得在喷嘴内部直接进行机械发泡成为可能，从而无需额外的工艺步骤。系统的材料筛选表明，具有亚微米级孔径的金属多孔介质能够有效抵抗熔体的侵入，同时保证稳定的气体注入。使用聚乳酸进行的挤出试验表明，所得泡沫的形态取决于气体与熔体的质量流量比，可形成孔隙率高达25%、平均孔径约为100微米的均匀微孔结构。这些结果证明了通过喷嘴内气体注入实现稳定泡沫挤出的可行性，并为进一步改进工艺、开发更精细的微孔结构以及完全通过增材制造出的泡沫组件奠定了基础。

章节摘录

引言与动机

增材制造（AM）与轻量化设计的结合为功能集成和资源高效组件的制造提供了巨大潜力。在基于材料挤出的AM过程中，除了减少填充材料外，还采用了多种技术通过物理或化学发泡剂来创建泡沫结构。这些方法都依赖于气体在聚合物基质中的膨胀原理。

材料

本研究涉及两类不同的材料：通过挤出加工的热塑性聚合物，以及用作喷嘴组件中气体注入功能元件的多孔材料（PM）。

结果

图6展示了挤出丝材的代表性纵向CT截面图。亮区域代表聚乳酸（PLA），而暗区域表示气体夹杂物。例如，在配置v2–T230–p30中的细粒化、低对比度的暗区域实际上是CT图像噪声，并非真正的气体夹杂物。彩色框表示挤出过程的稳定性：绿色表示挤出过程顺畅无阻，橙色则表示由于进料齿轮暂时停止导致的不稳定情况。

工艺条件下的主要发泡机制评估

根据亨利定律，溶解在聚合物熔体中的气体平衡浓度与气体的溶解度系数H和分压p成正比[30]：c = H × p。在喷嘴温度为200°C、进料速率为0.5 mm/s的条件下进行的初步实验表明，当外部气体压力低于约25 bar时，气体注入聚合物熔体的过程会停止。这一现象通过CT扫描中未发现气体夹杂物得到证实。

结论

本研究表明，在挤出过程中直接向聚合物熔体中注入气体以实现原位机械发泡在技术上是可行的。采用具有亚微米级孔径的多孔金属材料可以有效促进气体渗透，同时防止聚合物熔体泄漏，这对稳定运行至关重要。实验结果表明，泡沫的形态主要受气体与聚合物的质量流量比控制。

CRediT作者贡献声明

Lars Eisele：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。Anselm Heuer：审稿与编辑、项目管理、方法论设计、概念构思。Wilfried V. Liebig：审稿与编辑、监督工作、资源协调、资金筹集、概念构思。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明

在准备本稿时，作者使用了DeepL和DeepL Write（德国DeepL公司）工具来提升手稿的可读性和语言表达。作者根据需要审查和修改了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了德国研究基金会（DFG）的资助，项目编号分别为EL 473/10-1和LI 3675/4-1。同时，我们也感谢卡尔斯鲁厄理工学院出版基金的支持。