3D打印耗材質(zhì)量改進(jìn)的相關(guān)研究

焦 陽

（安徽省蕪湖市瀚搏電子科技有限公司,安徽 蕪湖 241000）

3D打印耗材質(zhì)量改進(jìn)的相關(guān)研究

焦 陽

（安徽省蕪湖市瀚搏電子科技有限公司,安徽 蕪湖 241000）

3D打印技術(shù)是快速成型領(lǐng)域新增的一種三維實(shí)體打印技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便易行、成型速度快、成型件精準(zhǔn)無誤的優(yōu)勢(shì)，且整個(gè)過程基本無污染。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，其更加廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)藥、航空航天、建筑工程等領(lǐng)域。3D 打印技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)是耗材，耗材的性能、種類等因素直接影響著3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量和功能，因此如何推動(dòng)3D打印耗材質(zhì)量改進(jìn)顯得尤為重要。

3D打印耗材；質(zhì)量；問題

0 引言

3D打印又稱被稱為增材制造，屬于快速成型技術(shù)，選用可粘合材料，主要有粉末狀金屬、聚合物、陶瓷、塑料，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，逐層堆疊累積來生產(chǎn)產(chǎn)品。當(dāng)前條件下，制約3D打印技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)主要因素是打印耗材和打印設(shè)備，而相比于打印設(shè)備的研究和開發(fā)，打印耗材的研發(fā)更是難上加難，成為目前制約3D打印發(fā)展的至關(guān)因素。普通打印機(jī)的耗材主要是紙張和墨水，3D打印機(jī)使用的材料是膠水與粉末，且不能直接拿來采用，一定要先經(jīng)過必要處理，同時(shí)對(duì)材料的固化反應(yīng)速度等等也有較高要求。本文筆者介紹了用于3D打印的幾類主要耗材，分析了當(dāng)前3D打印耗材發(fā)展所面臨的問題及研究進(jìn)展，并提出了相關(guān)對(duì)策。

1 3D打印耗材

1.1 金屬材料

金屬材料力學(xué)強(qiáng)且導(dǎo)電性良好，目前利用其制造的3D打印產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用，在3D打印市場(chǎng)中占據(jù)很大一部分。所使用的金屬材料必須符合粒徑分布窄、含氧量低、純凈度高等特殊條件，通常是粉末狀。鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料是目前使用比較多的3D金屬打印材料[1]。鈦合金的優(yōu)勢(shì)在于低密度、高強(qiáng)度、耐高溫且耐腐蝕，主要應(yīng)用于汽車、火箭、導(dǎo)彈和航空航天等領(lǐng)域，且發(fā)展前景可觀；鈷和鉻是鈷鉻合金的主要成分，優(yōu)勢(shì)在于抗腐蝕性能和機(jī)械性能良好，用其制作的零部件耐高溫、強(qiáng)度高，一般用于制造一些精密的儀器；不銹鋼材料耐腐蝕性強(qiáng)，且價(jià)格低廉，主要用于制作一些尺寸較大的3D打印產(chǎn)品；質(zhì)輕、強(qiáng)度高是鎂鋁合金強(qiáng)于其他材料的優(yōu)勢(shì)，在一定程度上滿足了制造業(yè)的強(qiáng)量化需求。

1.2 復(fù)合材料

美國(guó)硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室于2014年推出一項(xiàng)全新的3D打印技術(shù)，通過該技術(shù)順利打印出了碳纖維增強(qiáng)尼龍基體（比PEEK更低端的聚合物樹脂）的復(fù)合材料。傳統(tǒng)打印模式是通過注塑或擠出方法來定型，與之相比，3D打印更加靈活、精準(zhǔn)，在精確控制碳纖維取向的同時(shí)，還能優(yōu)化機(jī)械、電和熱性能，生產(chǎn)的復(fù)合材料零件任何一層都可實(shí)現(xiàn)其所需的纖維取向。航空航天、國(guó)防和醫(yī)療所使用的零件產(chǎn)品大部分都是利用復(fù)合材料來生產(chǎn)的，未來通過不斷的探索和研究，有望開發(fā)出更輕、更強(qiáng)、更持久的組件。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)在于硬度高、密度低、耐腐蝕且耐高溫，較多的應(yīng)用于汽車、生物等行業(yè)領(lǐng)域。3D打印的陶瓷制品耐熱性能極好，可高達(dá)600℃，且不透水、無毒，并能廢物回收利用，可作為炊具、餐具、花瓶、瓷磚等家具裝飾的首選材料。但陶瓷材料存在強(qiáng)度不高的不足，加工成形比較困難，尤其是構(gòu)造相對(duì)比較復(fù)雜的陶瓷件必須利用磨具來成形，而模具加工費(fèi)用較高且開發(fā)耗時(shí)較長(zhǎng)，很難滿足產(chǎn)品的需求。據(jù)有關(guān)報(bào)道，西英格蘭大學(xué)研發(fā)人員成功開發(fā)了一種改進(jìn)型的陶瓷3D打印技術(shù)，在CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可直接進(jìn)行打印、燒制、上釉和裝飾，在節(jié)省時(shí)間和成本的同時(shí)，解決了原陶瓷產(chǎn)品原型無法過火和測(cè)試釉質(zhì)的困難[2]。

1.4 聚合物

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）和PLA（聚乳酸）是聚合物中應(yīng)用較多的兩類塑料。ABS是3D打印最常用的熱塑性塑料，強(qiáng)度高、機(jī)械加工性和柔韌性較佳、抗高溫。ABS材料顏色和種類比較多樣，而PC材料單一，只有白色，但其強(qiáng)度又明顯優(yōu)于ABS材料。PC-ABS材料綜合性就比較強(qiáng)，具備ABS韌性的同時(shí)，又有PC的高強(qiáng)度及耐熱性，可首選為工程塑料[3]。但是PLA耐溫性差，溫度不得高于50℃，一旦溫度大于50℃，材料就會(huì)變形，這一不足導(dǎo)致其不能在3D打印領(lǐng)域大量應(yīng)用。PSU類材料在所有的熱塑性材料中強(qiáng)度最高，耐熱性和抗腐蝕性最佳，主要用來制造最終零部件，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具、航空航天等領(lǐng)域。

2 我公司對(duì)打印耗材的改進(jìn)處理

目前市場(chǎng)上的3D打印耗材種類較少且性能不是特別穩(wěn)定，我們公司對(duì)3D打印耗材做必要的物理改性處理，開發(fā)一套性能穩(wěn)定，種類齊全的3D打印耗材。

（1）通過改善材料的結(jié)晶速率，提高冷卻速度來實(shí)現(xiàn)打印過程中的快速成型；通過對(duì)材料進(jìn)行改性研究來改善打印制品的翹曲變形問題及打印流暢性問題。

（2）通過物理共混改性方法，添加某種功能性物質(zhì)及其輔助材料，使產(chǎn)品達(dá)到上述所列的功能性要求。

（3）通過制定全球通用的打印材料的規(guī)格、功能、顏色及性能指標(biāo)等來確定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）通過使用資源可再生材料或生物材料，環(huán)保無毒助劑等方式實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求。

3 3D打印技術(shù)目前的缺陷

目前，塑料仍是桌面級(jí)3D打印的主要材料，3D打印導(dǎo)致的層間粘結(jié)會(huì)引發(fā)打印模型產(chǎn)生各向異性的力學(xué)缺陷。對(duì)于3D打印技術(shù)目前的缺陷，Z—Corporation等3D打印公司致力于研究?jī)?yōu)化現(xiàn)有打印耗材的屬性，目的在于提高產(chǎn)品性能；在研究現(xiàn)有材料的同時(shí)，努力開發(fā)全新的、性能更高的打印材料。很多高校也陸續(xù)開展了相關(guān)課題，研究不同材料組合，致力于彌補(bǔ)缺陷，開發(fā)出高性能結(jié)構(gòu)的新型材料。

4 多樣式的材料打印技術(shù)

目前，有很多的桌面級(jí)3D打印機(jī)還只能應(yīng)用于打印單一材料模型?，F(xiàn)在很多的3D打印機(jī)都有雙噴頭或者三噴頭，但是在實(shí)際應(yīng)用中，多噴頭的打印機(jī)還在不斷的試驗(yàn)探索中，Bayless等人開發(fā)的線軸擠出機(jī)，可在塑料上打印金屬絲，將來可實(shí)現(xiàn)打印電路板；Braanker等人設(shè)計(jì)的顆粒擠出機(jī)，可加工出多種材料的顆粒。未來，多噴頭打印中途頻繁轉(zhuǎn)換3D打印噴頭出現(xiàn)的線材擠出不流暢的問題會(huì)成為以后研究的重中之重。

[1]唐通鳴,陸燕,李志揚(yáng),倪紅軍,聶富強(qiáng).新型3D打印材料ABS的制備及性能研究[J].現(xiàn)代化工,2015(07).

[2]陳慶,曾軍堂,陳韋坤.3D打印塑料材料技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2015(06).

[3]張?jiān)撇?喬雯鈺,張?chǎng)析?馬芳,翟蓮娜,顧哲明.3D打印用高分子材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].上海塑料,2015(01).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.249