Pencetakan 3D fotopolimerisasi V menciptakan "busa elastis" yang sangat kuat.

27 Juni 2025

APA-Apa itu busa polimer?

Busa polimer, terutama busa polimer lunak, telah banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri. Permintaan akan struktur busa khusus pelanggan semakin meningkat, terutama dalam aplikasi seperti industri kedirgantaraan, biomedis, semikonduktor, dan otomotif. Penelitian tentang busa polimer melalui pencetakan 3D Telah dilakukan selama bertahun-tahun, terutama berfokus pada teknologi fabrikasi filamen lebur (FFF) dan teknologi penulisan tinta langsung. Namun, busa yang dibuat menggunakan teknologi pencetakan 3D berbasis ekstrusi menunjukkan distribusi unit antar lapisan yang tidak merata. Selain itu, karena keterbatasan diameter filamen, sulit untuk mencetak bagian dengan struktur geometris presisi tinggi, yang membuatnya tidak mungkin untuk memenuhi skenario aplikasi yang ditentukan. Fotopolimerisasi V memberikan akurasi manufaktur yang sangat baik, yang menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk pembuatan busa polimer presisi tinggi. Namun, akurasi tinggi tersebut sangat bergantung pada kepadatan ikatan silang yang tinggi yang membatasi pemisahan rantai, sementara proses pembusaan bergantung pada fleksibilitas rantai polimer.

MENGAPA - Apa saja keterbatasan pencetakan 3D busa polimer?

Dilaporkan bahwa penggunaan strategi pembusaan termasuk metode templat emulsi fase internal tinggi dan elemen metode teknologi etsa pelarut dapat menyiapkan bagian busa polimer yang dicetak dengan pencetakan 3D fotopolimerisasi-v. Namun, metode ini menghadapi tantangan seperti akurasi manufaktur yang tidak memuaskan dan rasio ekspansi yang tidak terkontrol. Menyesuaikan komposisi oligomer dan monomer dalam resin yang dapat disembuhkan dengan UV dan mengurangi kepadatan ikatan silang bagian benda mentah setelah penyembuhan UV dapat menyiapkan resin yang dapat disembuhkan dengan UV yang berbusa dengan rasio ekspansi yang terkontrol. Namun, mencapai kepadatan ikatan silang optimal yang menyeimbangkan akurasi tinggi dan rasio ekspansi tinggi tetap menjadi tantangan dan tetap menjadi topik penelitian. Hasil menunjukkan bahwa dalam resin yang dapat disembuhkan dengan UV yang telah disembuhkan dengan kepadatan ikatan silang tinggi, peran utama agen pembusaan adalah untuk menghambat pembentukan retakan dan meningkatkan ketangguhan. Namun, peran ini membatasi efektivitasnya dalam mendorong ekspansi signifikan dari agen pembusaan (Gambar 1a). Terdapat laporan mengenai penggunaan resin yang dapat disembuhkan dengan sinar UV yang hanya mengandung monomer untuk mencetak busa dengan fotopolimerisasi-v, tetapi metode ini sangat mengganggu akurasi pencetakan atau sifat mekanik busa (Gambar 1b). Mengurangi kepadatan ikatan silang dalam bagian yang disembuhkan dengan sinar UV dan mendorong ekspansi bebas sel melalui stimulasi eksternal sambil mempertahankan kepadatan ikatan silang kritis polimer merupakan metode yang menjanjikan untuk menyiapkan bagian busa cetak fotopolimerisasi-v berkinerja tinggi.

HOW - material busa poliuretan baru berbasis pencetakan 3D fotopolimerisasi berhasil mencapai keseimbangan antara pencetakan presisi tinggi dan rasio ekspansi tinggi.

Gambar 1 menunjukkan ide penelitian dan hasil eksperimen pembuatan material busa berkinerja tinggi dengan fotopolimerisasi. Teknologi pencetakan 3DTim peneliti mengembangkan sistem resin berbusa yang cocok untuk pencetakan 3D fotopolimerisasi dengan memperkenalkan poliuretan metakrilat (PUB) khusus sebagai komponen utama dan menggabungkan mikrosfer yang dapat mengembang secara termal (TEM) sebagai agen pembusa. Dalam percobaan, dengan menyesuaikan kandungan PUB dan rasio TEM, keseimbangan antara pencetakan presisi tinggi dan pembusaan yang terkontrol berhasil dicapai. Hasil menunjukkan bahwa sistem resin ini memiliki presisi tinggi dan tingkat keberhasilan yang tinggi dalam proses pencetakan, dan material busa yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang sangat baik, seperti regangan tarik hingga 650% dan densitas 0,25 g/cm³. Selain itu, dengan mengubah rasio PUB terhadap monomer, densitas dan sifat mekanik busa dapat disesuaikan untuk memenuhi berbagai persyaratan aplikasi. Studi ini memecahkan masalah kesulitan dalam menyeimbangkan presisi dan kinerja pembusaan yang dihadapi oleh teknologi pencetakan 3D fotopolimerisasi tradisional dalam pembuatan material busa, dan menyediakan metode baru untuk pembuatan material busa berkinerja tinggi yang disesuaikan.

Gambar 2 menunjukkan hasil eksperimen dan verifikasi kinerja material busa berkinerja tinggi yang disiapkan dengan teknologi pencetakan 3D fotokuring. Dalam eksperimen, para peneliti pertama-tama menguji akurasi dan kinerja pembusaan resin fotokuring dengan formulasi berbeda selama pencetakan 3D. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem resin yang menggunakan PUB dan IBOMA sebagai komponen utama, dikombinasikan dengan TEM sebagai agen pembusaan, dapat mencapai pencetakan presisi tinggi dan ekspansi volume seragam setelah pemanasan. Setelah perlakuan panas, sampel yang dicetak menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik, seperti regangan tarik hingga 650% dan densitas 0,25 g/cm³. Selain itu, eksperimen juga mengamati mikrostruktur busa dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM), dan menemukan bahwa busa tersebut memiliki struktur sel tertutup, yang tidak dapat dicapai dengan metode etsa atau emulsifikasi tradisional. Dengan mensimulasikan proses pembusaan melalui analisis elemen hingga (FEA), para peneliti mampu memprediksi secara akurat perilaku ekspansi dan perubahan dimensi busa. Terakhir, para peneliti menerapkan busa hasil cetak 3D ini pada pembuatan sol tengah sepatu, memverifikasi potensinya dalam aplikasi industri praktis dan membuktikan bahwa material busa ini tidak hanya memiliki sifat mekanik yang sangat baik, tetapi juga dapat diintegrasikan dengan mulus ke dalam proses manufaktur yang ada.

Gambar 3 menunjukkan studi tentang sifat mekanik material busa yang dibuat dengan teknologi pencetakan 3D fotopolimerisasi. Dalam percobaan, para peneliti menyiapkan sampel busa dengan kepadatan dan sifat mekanik yang berbeda dengan mengubah jenis dan kandungan monomer dalam resin fotopolimerisasi, dan melakukan uji tekan dan tarik pada sampel tersebut. Hasil menunjukkan bahwa kekuatan tekan dan kekuatan tarik material busa meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan kepadatan, dan pada kepadatan tinggi, menunjukkan sifat mekanik yang sebanding atau bahkan lebih tinggi daripada busa poliuretan komersial. Secara khusus, sampel seri IBOMA30 memiliki kekuatan tekan 22 MPa pada kepadatan 0,4 g/cm³, yang jauh lebih tinggi daripada sampel lainnya. Bahan busa cetak 3DSelain itu, dengan menyesuaikan jenis dan kandungan monomer, penyesuaian kinerja dari kekakuan tinggi ke ketangguhan tinggi dapat dicapai. Percobaan juga menemukan bahwa penggunaan pemanjang rantai amina dengan fungsi yang berbeda (seperti diamina dan triamina) dapat secara signifikan memengaruhi kepadatan ikatan silang rantai polimer dan derajat keterikatan rantai molekuler, sehingga menyesuaikan sifat mekanik busa. Misalnya, sampel yang menggunakan pemanjang rantai triamina menunjukkan kepadatan ikatan silang dan kekuatan yang lebih tinggi, sedangkan sampel yang menggunakan pemanjang rantai diamina memiliki fleksibilitas dan keuletan yang lebih baik. Hasil ini menunjukkan bahwa dengan mengontrol secara tepat komposisi dan kondisi pasca-pemrosesan resin yang dapat dikeraskan dengan cahaya, sifat mekanik material busa cetak 3D dapat disesuaikan secara fleksibel untuk memenuhi kebutuhan berbagai skenario aplikasi.

Gambar 4 menunjukkan kinerja dan potensi material busa berkinerja tinggi yang dibuat dengan teknologi pencetakan 3D fotopolimerisasi dalam aplikasi praktis. Dalam percobaan, para peneliti menggunakan printer 3D fotopolimerisasi LCD untuk memproduksi komponen busa dengan struktur kisi yang berbeda dan menguji kinerjanya dalam pengurangan berat, penyerapan energi, dan perlindungan bantalan. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan mengoptimalkan struktur kisi, busa cetak 3D dapat mencapai rasio kekuatan terhadap berat yang sangat tinggi pada kepadatan yang sangat rendah (seperti 0,05 g/cm³), misalnya, dapat menahan beban 625 kali beratnya sendiri, dan pada kepadatan yang lebih tinggi (seperti 0,08 g/cm³), dapat menahan berat orang dewasa (75 kg) tanpa deformasi. Selain itu, busa cetak 3D berkinerja baik dalam penyerapan energi, dan energi kompresi yang diserap meningkat lebih dari 10 kali lipat dibandingkan dengan struktur kisi yang tidak berbusa. Dalam percobaan perlindungan penyangga, busa cetak 3D dapat secara efektif melindungi kaca dari kerusakan akibat benturan, sementara kaca yang tidak terlindungi akan pecah berkeping-keping dalam kondisi yang sama. Hasil ini menunjukkan bahwa busa cetak 3D tidak hanya memiliki sifat mekanik dan kapasitas penyerapan energi yang sangat baik, tetapi juga memiliki kemampuan adaptasi bentuk dan sifat pemulihan termal yang baik, yang membuatnya memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang material struktural ringan dan perlindungan penyangga.

Kesimpulan: Makalah ini mempelajari metode pembuatan material busa berkinerja tinggi berdasarkan teknologi pencetakan 3D fotopolimerisasi dan potensi aplikasinya. Dengan memperkenalkan poliuretan metakrilat (PUB) dan mikrosfer yang dapat mengembang secara termal (TEM), tim peneliti berhasil mengembangkan sistem resin fotopolimerisasi yang dapat membentuk busa yang mencapai keseimbangan antara pencetakan presisi tinggi dan pembentukan busa yang terkontrol. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa material busa ini memiliki sifat mekanik yang sangat baik, seperti regangan tarik hingga 650% dan densitas 0,25 g/cm³. Pada saat yang sama, dengan menyesuaikan jenis dan kandungan monomer, penyesuaian kinerja dari kekakuan tinggi hingga ketangguhan tinggi dapat dicapai. Selain itu, busa hasil cetak 3D berkinerja baik dalam aplikasi praktis, mencapai rasio kekuatan terhadap berat yang sangat tinggi pada densitas yang sangat rendah, dan menunjukkan kapasitas penyerapan energi dan kinerja perlindungan bantalan yang sangat baik. Karakteristik ini memberikan prospek aplikasi yang luas di bidang material struktural ringan dan perlindungan bantalan.