2023年10月，国民运动品牌李宁宣布与博理科技联合推出了3D打印发泡技术，未来该科技将融入李宁品牌名下的鞋履制造工艺中，用以生产出更为轻盈、缓冲吸震、吸音的新产品。

图：漂浮于水面的3D打印版云游

图源：@李宁运动科学研究中心

该项光固化3D打印发泡技术为李宁与博理科技共同研发，将光固化树脂与发泡体系相互融合，是通过均衡材料各组分之间进行化学配比，协同材料反应顺序与速度控制，研制而出的符合高精度打印需求，同时可以支持各向同尺寸稳定发泡的3D打印材料。

在3D打印方面，该技术采用的是博理科技自主研发的HALS超高速3D打印设备。据了解，HALS是从材料成型机理出发的全新3D打印技术，也是一种高速光固化技术，可以打印出具备高强度、高精度、耐高温、高弹性等不同性能的高分子材料，相较于传统3D打印技术，该技术的抗疲劳性能提高10倍以上，打印速度提升100倍以上，降本增效成果显著。

在发泡环节，技术人员将需要打印的产品放入连续化运行的高温通道，经过一定时间的烘烤后，材料在可控软化状态下，内部发泡体系受热释放出气体，随后打印结构各方向同比例膨胀，直至达到设定的发泡倍率后，程序降温实现二次固化定型，从而达到具有轻质多孔、高强高弹、结构稳定性能的3D打印发泡产品。

根据相关的实验证明，李宁携手博理科技研发出的全新轻量化材料，通过发泡体积膨胀，密度比传统的3D打印材料降低了50%以上。

如今，随着科学技术的飞速发展，3D打印发泡材料已经成为一种趋势，被应用于各个行业中，不仅是鞋履制造，还有汽车零部件、航空航天等，其优势在于保证发泡材料原有性能的同时，可以更好地控制每一个零件的精度与契合度，有效减少原材料的使用，降低打印部件的成本。

以下将简单阐述3D打印技术以及3D打印聚氨酯发泡材料的性能和应用场景。

什么是3D打印技术？

3D打印技术，也被称为快速成型技术或增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术。

近几年，3D打印技术因其可以有效创建复杂的三维材料结构迅速发展，在社会生活的多个领域中得到广泛应用，不仅对工业发展起着革命性的作用，其本质上也是实际制造业的发展前景所在，被认为是第三次工业革命的核心技术之一。

当前市面上主流的3D打印技术可分为以下三种：

• 光固化制造技术

即SLA技术，也是前文提到的博理科技所使用的技术，该技术基于液态光敏树脂的聚合原理进行工作，简单来说就是利用光能的化学性质和热作用使材料固化，层层叠加堆积而成一个所需的三维实体零件。该技术具有速度快、精度高、快速成型的优势，但需要注意的是光敏脂材料有毒性，技术人员应谨慎操作。

图：SLA立体光固化成型工艺原理图

图源：@恒辉3D打印/侵删

• 叠层实体制造技术

该技术也称薄形材料选择性切割技术，其涉及机械、数控、高分子材料和计算机等技术，是增材制造技术的重要分支，由激光器、光学系统、X-Y扫描机构、材料传送机构、热压黏贴机构、升降工作台和控制系统组成，也被称为LOM技术。

LOM技术是当前世界范围内几种最成熟的快速成型制造技术之一，主要以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）作为原材料。

图：叠层实体造型原理图及零件图

图源：@材料牛/侵删

• 熔融沉积成形技术

熔融沉积成形又称熔融挤出成型，是由送丝机构、喷嘴、工作台、运动机构以及控制系统组成，将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。该技术是当前应用较为广泛的一种3D打印技术，同时也是最早开源的3D打印技术之一。

图：熔融沉积成形原理图及零件图

图源：@材料牛/侵删

3D打印聚氨酯泡沫——增材制造与发泡技术的有机结合

3D打印聚氨酯泡沫是一种通过3D打印技术制造聚氨酯泡沫材料的过程，这种技术可以显著改善所需性能，并在不同的层面上控制材料的结构，使其具有多孔性。

工程师能够在微观和宏观尺度上对孔隙度进行最大程度地控制，3D打印使聚氨酯泡沫在最终结构上更具复杂性。例如，热塑性聚氨酯（TPU）是用分级多孔结构制造的，在宏观尺度上通过将聚氨酯泡沫放置在最初的3D设计中，在结构中制造更大尺寸的孔。在下一级时，当物体浸入水中，通过印后相分离过程产生大的微孔，最后通过化学蚀刻工艺产生最小的微孔。

不仅如此，3D打印聚氨酯泡沫在减少过程中的步骤数量方面发挥着重要作用，可以最大限度地减少后续处理中的材料浪费。使用3D打印的聚氨酯发泡材料还在制备过程中，允许样品打印内部有中空空间，该中空空间不仅可以根据样品的填充密度而变化，还可以充当大孔和气体流动路径，以制备具有较少饱和时间的亚临界状态的泡沫。

值得注意的是，3D打印聚氨酯泡沫由于制造其已经形成固化过程，使得产品的回收性能较差，对日益紧迫的环境造成负担，因此提升聚氨酯发泡材料的可回收性能是其未来的主攻技术方向之一。

对此，中国浙江大学的一个化学工程师团队开发了一种将聚氨酯泡沫转化为3D打印树脂的方法。该方法首先将泡沫磨成细小的碎片，然后按照所需处理的泡沫类型，将其浸泡在二甲基甲酰胺和适当的催化剂中，处理过程所需时间取决于所处理的特定材料。然后将得到的材料用作重构新聚合物网络的起始剂，通过预固化和后固化完成，将材料转化为双网络材料，可用作3D打印树脂，这种材料还能以与原始泡沫相同的方式进行化学破碎，故而研究人员还将该方法称为“破碎和重建”法。

该方法的操作步骤为利用TDB（很强的有机碱）作为催化剂，将聚氨酯泡沫放在120摄氏度条件下加热20分钟，在溶剂及催化剂的作用下，氨酯键动态打开，聚氨酯泡沫内部的网络结构发生局部”松动“，部分降解为非交联的且具有活性端基的高分子齐聚物。随后研究人员将降解后的链段进行了两种升级应用：一是重新引入异氰酸酯类交联剂，得到交联密度更高、韧性更强的弹性体；二是将降解链段转化为丙烯酸酯衍生物，成为光控3D打印材料。

图：热固性聚氨酯的部分降解与两种升级回收路径

图源：SynBioX /侵删

图：热固性聚氨酯的降解反应方程式

图源：SynBioX / 侵删

根据测算，一张20厘米厚的床垫回收后可以制造22公斤的高性能3D打印树脂，因此，其在具备显著循环利用性能的同时，还具备可观的商业前景。

”无处不在“的3D打印聚氨酯发泡材料

3D打印聚氨酯发泡材料在多个领域都有广泛的应用。这种材料轻质、高强度、抗冲击，并具有优异的保温性能，适用于制造各种形状和尺寸的零件和构件。以下是其在几个主要领域的应用：

• 3D打印聚氨酯发泡材料在汽车零件上的应用

3D打印聚氨酯发泡材料能够适应汽车运行中的各种恶劣环境，从而保证汽车的安全性和稳定性。首先，3D打印聚氨酯发泡材料由于其轻量化和高强度的特点，可以用于制造汽车内部和外部的功能部件，有效减轻汽车的整体重量，提高汽车动力性能；其次，3D打印聚氨酯发泡材料的高弹性和耐久性，也能够在汽车受到冲击时起到一定的保护作用，提高汽车的安全性能；最后，3D打印聚氨酯发泡材料还可以用于制造个性化的汽车零件，设计出符合消费者需求的个性化零件，从而实现其特定的舒适感。

2022年2月，保时捷宣布，3D打印全斗式座椅可作为标准配置从保时捷订购。据了解，该款座椅采用的是模块化三明治结构：最外层由防滑材料Race-Tex制成，不仅能提供充足的支撑，其独特的穿孔表面还可改善座椅的被动通风性能；中层为透气舒适层，采用聚氨酯材料，并由3D打印技术制造；最底层由发泡聚丙烯（EPP）制成的底座支撑，与中层结合在一起。保时捷表示，此款座椅最大的创新点便是利用3D打印技术最大化座椅的功能性，且最外层透气材料与中间层的3D打印晶格结构，也为座椅带来了良好的被动通风功能。

图：保时捷全斗式座椅构造示意图

图源：@POLLYPOLYMER博理科技/侵删

• 3D打印聚氨酯发泡材料在房屋建造中的应用

3D打印聚氨酯发泡材料在房屋建造中应用是一种新颖的方式，2017年，在德国北威州，由南特大学与市议会和当地住房协会合作，采用BatiPrint3D技术建造了Yhnova社会住房项目。这项技术的亮点在于其使用一个4米长、由激光系统引导的机器人手臂进行施工，具体步骤为首先由建筑师和科学家设计房子构造，然后将设计发送到3D打印机，3D打印机便将设计转化为实体建筑。

图：3D打印房屋

图源：@机器人大讲堂/侵删

这种3D打印工艺使用聚氨酯发泡材料在建造过程中被用作绝缘层，去除了对热桥接的需要，让房子加热变得更容易和更有效，并且使用3D打印技术可以降低约20%的建筑成本。

• 3D打印聚氨酯发泡材料在航空航天中的应用

在航空航天领域，对材料的要求非常严格，需要具备轻质、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等特性。3D打印聚氨酯发泡材料由于其优异的性能，正逐渐被应用于航空航天领域，具体表现在以下几个方面：

（1）3D打印聚氨酯发泡材料具有轻质的特点，可以在有效地降低航空器的重量的同时提高其性能和燃油效率；

（2）3D打印聚氨酯发泡材料具有良好的保温性和隔音性，在航空器上使用这种材料可以有效提高其舒适度和安全性；

（3）3D打印聚氨酯发泡材料具有良好的抗腐蚀性和抗疲劳性，可以在恶劣的环境条件下长期使用；

（4）3D打印聚氨酯发泡材料可以实现定制化生产，满足航空航天领域对不同形状和尺寸的零部件的需求。

不久前，3D打印技术公司Chromatic 3D Materials报告称，其热固性聚氨酯已通过联邦法规的垂直燃烧测试，证明其符合航空的阻燃性标准，意味着这种材料可以通过3D打印技术应用于各种航空零部件制造。

图源@环球聚氨酯网/侵删

公开资料显示，由美国威奇托州立大学国家航空研究所（NIAR）进行的测试表明，Chromatic公司3D打印的某些聚氨酯发泡材料在适用于飞机内饰方面符合美国标准。

值得注意的是，该公司的ChromaLast 65、ChromaMotive 70和ChromaFlow 90产品均通过垂直燃烧测试，适用于航空地板覆盖物、纺织品和床垫、装饰件、绝缘部件、管道等。总之，3D打印聚氨酯发泡材料在航空航天领域具有广泛的应用前景，可以为航空器的性能和安全性提供有力的保障。

总的来说，3D打印聚氨酯泡沫是一种结合了增材制造和发泡技术的先进制造方法，具有高度的灵活性和可定制性，可以用于制造具有复杂结构与特定性能的物体和零件，这种技术将聚氨酯泡沫的化学性质和3D打印在制造复杂结构方面的优势进行有机结合，对未来发泡材料领域的技术突破有着相当积极的推动作用。