综述：超越粘度曲线：材料挤出（MEX）增材制造与粉末注射成型（PIM）融合的关键流变学视角

《Materials & Design》：Beyond viscosity curves: A critical rheological perspectives for converging material extrusion additive manufacturing and powder injection molding

　　

研究人员指出，MEX和PIM共享原料和材料挑战，流变学被重新定义为无缺陷MEX和PIM生产的预测工具。MEX可以利用PIM的技术诀窍，但转移仍然有限。超越流动曲线，未解决的现象仍阻碍稳健的工艺优化。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**
该部分介绍了材料挤出（MEX）增材制造与粉末注射成型（PIM）技术的发展背景，指出两者均依赖高填充粉末-粘结剂原料，并采用相似的脱脂和烧结工艺，但成形步骤不同。MEX包括基于丝材、颗粒和浆料的工艺，其中丝材需兼顾喷嘴内的熔融流动性与固态柔韧性，而颗粒基系统与PIM在高剪切熔体变形方面最为接近。研究强调，流变学表征虽广泛用于理解高填充原料的流动行为，但多数研究仍局限于特定案例，未能将流变参数系统性地转化为工艺优化规则。本综述旨在聚焦MEX/PIM化合物中复杂且常被忽视的流变现象，包括粘结剂相互作用、壁滑移、屈服应力、分离效应、不稳定性及压力影响。

**2. 粘结剂组分控制原料的流动性能及其相互作用**
该部分讨论了粘结剂成分对MEX/PIM原料流变性能的主导作用。粘结剂通常由蜡、聚烯烃和聚乙二醇（PEG）等组成，其极性、分子量和分子级相互作用显著影响流动行为。

**2.1. 极性与粉末-粘结剂粘附**
极性是影响流变性能的首要因素。非极性聚烯烃和石蜡（PW）对高极性粉末的粘附性差，需通过表面活性剂或嵌段共聚物（如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA））改善。研究表明，增加极性组分（如巴西棕榈蜡（CW）或硬脂酸（SA））可降低粘度并抑制分离，但需平衡粘度和柔韧性。例如，仅添加0.25 vol%的硬脂酸即可将零剪切粘度降低四倍，而过高含量则效果有限。对于MEX，粘结剂优化需在低粘度与足够延展性之间取得平衡，以避免丝材断裂。

**2.2. 粘结剂组分的分子量**
较低分子量组分（如PEG）可降低粘度并改善填充，但可能引发剪切增稠和粉末-粘结剂分离。较高分子量（如PEG 20000）则提高粘度，增强剪切稀化行为和形状保持性。例如，在Ti6Al4V原料中，PEG分子量从2000增至20000 g/mol时，表观粘度从低于10² Pa.s升至200 Pa.s（剪切速率10³ s^-1）。对于聚甲醛（POM）粘结剂，分子量从130000降至24000 g/mol可降低粘度三个数量级，同时保持力学性能。

**2.3. 粘结剂组分间的分子级相互作用**
组分间的相互作用主要从流变性能推断，直接量化研究较少。通过差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，发现部分组分（如PEG与CW）存在部分混溶性，而其它组合（如PEG与AW）则表现出更强的氢键作用，有利于加工稳定性。采用低分子量类似物可简化系统，量化相互作用能，为粘结剂理性设计提供指导。

**3. 确定粉末装载量的关键流变学方法**
该部分指出，毛细管流变仪是测定相对粘度的常用工具，但扭矩流变仪和混合扭矩测量在早期配方筛选中更为直接。随着粉末浓度接近最大堆积分数，粘度急剧上升，最佳粉末装载量通常低于最大堆积的6–14%。扭矩曲线可识别临界固体装载量（CSL）和转折点（SP），作为稳定流动的上限。对于MEX，过高粉末含量导致脆性丝材或表面缺陷。现有粘度模型繁多，但预测的最大堆积值差异显著，需谨慎使用。基于硬球（HSM）或虚拟堆积的物理模型可关联粉末特性与粘度，但尚未广泛应用。

**4. 本构模型、加工参数及其在MEX/PIM中的局限性**
该部分讨论常用流变模型（幂律、Carreau、Cross）的局限性，这些模型无法捕捉高填充体系的屈服应力和壁滑移现象。主曲线方法提供了一种高效描述粘度与组分关系的途径，误差不超过实验误差。活化能可作为临界粉末装载量和流动稳定性的指标，但需在至少40°C范围内、优选恒定剪切应力下正确评估。压力对粘度影响显著，但仅有少数研究测量了压力依赖性粘度，且未集成到流动模拟中。现有数据表明，在MEX/PIM相关粉末装载量下，压力效应随颗粒网络压缩性增强而增大。

**5. 流变学作为流动不稳定性、分离和缺陷缓解的预测工具**
该部分强调流变学可用于识别和缓解加工缺陷。壁滑移是影响粉末-粘结剂分离的关键现象，可控的滑移可减少剪切梯度，抑制颗粒迁移。滑移速度受粘结剂类型、粉末特性、通道尺寸和表面粗糙度影响。屈服应力决定流动起始和生坯稳定性，其值随粉末体积分数增加而增大。通过控制壁剪切应力与屈服应力之比，可避免分离。研究建议，采用控应力流变仪精确测量屈服应力，采用锥形入口毛细管确定壁滑移。流动模拟需包含屈服应力和滑移速度，以准确预测薄壁区域和熔接线的稳定性。

**6. 结论**
流变学是理解MEX/PIM原料流动行为的常规方法，但作为工艺工具的功能尚未充分发挥。本文识别出壁滑移速度、屈服应力、流动活化能和压力依赖性粘度作为关键参数，可直接关联到粉末-粘结剂分离、流动不稳定性、尺寸公差失效和生坯完整性丧失等失效模式。建议建立一组物理意义明确、实验可及的流变参数作为标准报告量，并将其集成到流动模拟和缺陷预测中，开发基于组分的工具（如主曲线和定量相互作用图），以从描述性粘度曲线转向工艺相关流变指标，推动MEX/PIM技术的融合。