增材制造夹层结构按需脱粘技术——面向稳健循环设计创新的多域指数计算与评估

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【字体：大中小】 时间：2025年10月26日 来源：Review of Materials Research

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　　为解决多材料组件难以拆解回收导致资源浪费的难题，研究人员开展了一项关于“按需脱粘（DoD）”增材制造聚合物夹层结构的研究。通过设计低温熔融聚丙烯（PP）蜂窝芯与高温熔融玻璃纤维预浸料（GF/PP）的组合，实现了热机械触发式可控拆解，并开发了多域拆解指数评估体系。该研究为循环经济提供了可定制、可回收的轻量化材料解决方案，显著提升了产品全生命周期的可持续性。

随着全球塑料产量持续增长（2023年达4.138亿吨），仅7-9%的塑料废弃物被回收利用，多材料组件的不可拆解性成为循环经济转型的核心瓶颈。尤其在航空航天、汽车和体育器材领域广泛应用的轻量化夹层结构，其芯材与面层的永久粘接导致材料难以分离回收，造成巨大的资源浪费。针对这一挑战，德国拜罗伊特大学的研究团队在《Review of Materials Research》发表了一项创新研究，通过融合按需脱粘技术（Debonding-on-Demand, DoD）与增材制造（Additive Manufacturing, AM）工艺，开发出可拆解、可回收的聚合物夹层结构，并建立了多域指数评估体系，为循环设计提供了量化工具。

研究团队采用熔融长丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）技术打印聚丙烯（PP）蜂窝芯结构，其熔融温度（T_{m_ppCore}=135°C）低于玻璃纤维/聚丙烯预浸料（GF/PP prepreg）的熔融温度（T_{m_Prepreg}=165°C）。这种温差设计使得通过热机械处理（130°C加热5分钟）即可实现芯材与面层的无损分离。拆解后的芯材经粉碎、再挤出后制成再生 filaments，用于重新制造蜂窝结构，实现了闭环回收。

关键技术方法包括：1) 基于参数化设计（Grasshopper软件）和FFF打印的适配性制造；2) 盐浸（7%浓度）和紫外加速老化（Q-SUN XE-3 chamber）模拟服役寿命；3) 力学性能测试（ASTM C297/C393/273标准）；4) 熔体体积速率测定（ISO 1133）；5) 基于SimaPro软件和ecoinvent数据库的生命周期评估（LCA）；6) 多域拆解指数计算（涵盖性能、回收、拆解三大维度）。

2.1. 设计创新、材料与制造

通过六边形蜂窝单元（边长4.62 mm，壁厚2.00 mm）的拓扑优化，结合PPprint GmbH的天然PP filament和Delcotex的GF/PP预浸料，实现了结构的轻量化和功能集成。组装工艺在180°C、4.2 kN/m2压力下完成，确保界面结合强度。

2.2. 服役寿命模拟

样本经历三周盐浸和紫外辐照测试，模拟海洋环境与户外老化条件。盐浓度设为海水两倍（7%），紫外辐照强度达594 W/m2（5倍于中欧日照），验证了材料在恶劣环境下的耐久性。

2.3. 拆解与回收

热触发拆解后，芯材经SHR3D IT shredder粉碎至4 mm碎片，通过Next 1.0 extruder再挤出成 filament（直径1.73 mm）。能量数据由Chauvin Arnoux能耗分析仪采集，确保过程可控。

2.4. 力学与流变测试

再生芯材的力学性能保持良好：弯曲模量（E_flex）达1947±398 MPa（virgin为2043±383 MPa），平拉强度（σ_max）为5.85±0.43 MPa（virgin为6.14±0.73 MPa），剪切强度（τ_max）为0.34±0.04 MPa（virgin为0.42±0.06 MPa）。熔体体积速率（MVR）从9.77 ccm/10min（virgin）升至12.02 ccm/10min（recycled），仍满足打印要求。

2.5. 指标体系与计算实现

研究提出总评分S_T=S_P×S_R×S_D的三维评估模型：

•
性能评分S_P：基于力学性能保留率（阈值75%），再生材料得分0.84（virgin为1）；
•
回收评分S_R：结合生态影响（I_eco）和制造成本（c），再生材料得分2.026（virgin为1），主要优势来自成本降低（0.004€/g vs. 0.025€/g）；
•
拆解评分S_D：考虑自动化潜力（Likert 5级）、资源消耗（log₂函数标准化）和时间效率（逆逻辑函数），规模化生产方案（80件批处理）得分优于单件处理。

最终，光伏供电+无预热方案（wph+pv）获得最高总评分1.65，显著优于线性方案（得分0）。

该研究通过实验验证与量化评估证明：基于热触发拆解的增材制造夹层结构不仅实现了解耦回收，更在性能、成本和环境效益上形成正向循环。其创新性在于将设计自由度（AM）、材料匹配（温差触发）与多域评估结合，为复杂产品的循环设计提供了可扩展的计算框架。未来工作需进一步探索工业级规模化生产的可行性，并拓展至更多材料体系与拆解机制（如化学、磁响应脱粘）。这项研究标志着循环经济从概念走向工程化应用的关键一步，为可持续制造提供了兼具技术可行性与经济性的解决方案。

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