高分子3D打印材料和打印工藝探析

王超 袁媛 任蕊

摘 要：3D打印技術即增材制造，通過三維數(shù)學模型數(shù)據(jù)的支持與物理層疊加，將材料轉(zhuǎn)換為三維實體。目前這一模式相比于傳統(tǒng)材料加工，在技術層面具有顯著優(yōu)勢，也得到了社會的廣泛關注與認可。當前影響3D打印技術的主要因素包括材料與打印工藝，因此本文也將圍繞高分子3D打印技術和打印工藝技術進行評測，從技術層面分析在未來可能面臨的技術要求。

關鍵詞：高分子；3D打印技術；打印工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.049

0 引言

3D打印技術的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在三個方面，一是可以直接通過建模軟件實現(xiàn)數(shù)字化結構設計，并通過機器設備加工成實際的器件；二是可以保障三維結構的物體轉(zhuǎn)換為二維層狀結構，克服傳統(tǒng)制造的模具缺陷問題；三是實踐材料與功能梯度的合理利用。近年來3D打印技術在不同行業(yè)領域得到廣泛利用，在國家政策上得到了技術支持，是社會發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)之一。

1 3D打印技術特征

我國政府部門在2015年印發(fā)了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》，發(fā)展至今其技術內(nèi)容涵蓋廣泛，包含數(shù)控、切口與切片軟件、打印材料等。目前在打印工藝和打印材料之間存在著密切聯(lián)系，某些特殊的3D打印技術也只能用于特定的打印材料規(guī)劃當中，最終實現(xiàn)3D成形。另外，3D打印技術的范圍隨著社會不斷發(fā)展得到了擴展，以無機物、金屬粉末、玻璃為主的復合材料開始成為3D打印材料。本文將以熱塑性高分子材料作為主要研究對象，從打印工藝方面展開分析。

2 熱塑性高分子3D材料與打印工藝

2.1 打印材料

（1）ABS材料。打印材料可以便于加工，其優(yōu)秀的吹塑功能成為當前材料開發(fā)過程中最容易成熟的類型。材料內(nèi)容包括工程塑料、生物塑料等，并且具有合理的機械強度與熱穩(wěn)定性，在一些大型的工業(yè)和民用場合都得到了有效利用。例如丙烯腈—丁二烯ABS材料就是典型的技術材料，打印溫度可以超過210℃，玻璃轉(zhuǎn)化溫度為105℃，因此具有良好的強度與韌性，另外在腐蝕條件與低溫條件下同樣可以保持合理的性能強度。但該材料具有一定的缺陷，打印過程中如果溫度場不均勻會導致開裂，且具有刺激性氣味。所以在技術條件的改進方面，當前往往在ABS材料之內(nèi)加入填充物或改性，獲取不同類型的3D打印耗材。

（2）PCL材料與PLA材料。PCL材料具有顯著的形狀記憶特征，熔點較低，生物相容性出眾，目前其打印產(chǎn)品在醫(yī)療領域發(fā)揮了重要的作用，如體內(nèi)心臟支架等。為了提升設備的強度，我們會對其進行改性處理，在提升抗沖擊強度的同時轉(zhuǎn)變其耐蠕變性能[1]。

而PLA材料也是3D打印的主要材料，其打印溫度相比于ABS材料要低，只有200℃左右，且可以在70℃以下的平板上成形。然而其玻璃轉(zhuǎn)化溫度更低，在熔化后的延展性較好，也不會產(chǎn)生刺激性氣味，可以獲取相對較大的零件。但相比于ABS材料，該材料同樣具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在抗沖擊強度與力學性能的差距方面。所以行業(yè)內(nèi)的技術研究人員也旨在通過改性方案來解決這一缺陷，例如有研究制造了改性聚乳酸材料，讓PLA材料的尺寸更加穩(wěn)定，抗沖擊與斷裂強度明顯提高。

（3）PETG材料。PETG材料是一種非晶型共聚酯，其技術優(yōu)勢在于強度出色，韌性極高，但與此同時具有較低的收縮率，在目前的某些高技術要求打印零件中扮演了重要角色。另外，其環(huán)保無毒的特點也使得其可以與其它工程材料混合使用，獲取高分子合金材料。

2.2 打印工藝分析

（1）熔融沉積成型。熔融沉積最早出現(xiàn)于1988年，它不使用激光器進行加工，直接將熱熔性絲狀材料通過3D打印來進行成形，其核心技術原理與FFF熔絲制造類似。其溫度高于固話溫度，但成型部分的溫度卻低于固化溫度。具體打印時首先利用CAD軟件構建立體模型圖，然后將模型圖輸入至FDM裝置當中，通過計算機控制加熱半液體材料后，熱塑性材料通過積壓形成輪廓，在材料堆積凝固后者得到用于3D打印實體，并將支撐材料取出后獲得最終的零件。目前考慮到這一項技術在市場中的突出地位，也出現(xiàn)了各類技術措施來改善材料的表面精度，例如將不重要的表面以水平方向成型[2]?？傮w來看，該技術的設備價格較低，且操作技術難度較小，可以廣泛作為低端入門級別的3D打印設備，且可以長期穩(wěn)定地進行存儲。

（2）激光燒結。激光燒結是金屬材料、陶瓷材料3D打印過程中的主要技術，同時也可以用于熱塑性的聚合物。一般來說所鋪設的粉末材料通過激光器發(fā)出激光束后，可以在計算機控制下直接選定區(qū)域內(nèi)的粉末進行燒結，這些具有粘接劑的粉末熔化后則形成了具體的打印層。第一層燒結完成后工作臺會隨之下降，逐層展開燒結，最終得到三維打印產(chǎn)品。

3 3D打印材料與打印工藝的發(fā)展趨勢

目前3D打印技術的發(fā)展速度較快，新的高分子打印材料也相繼出現(xiàn)，但現(xiàn)有的行業(yè)領域內(nèi)仍然面臨了某些技術問題。

首先是高分子3D打印材料的成本問題，相比于傳統(tǒng)制造技術來說需要耗費額外的成本；此外是當前的技術開發(fā)仍然處于探索階段，尤其是質(zhì)量測試程序工作上位出臺相關的規(guī)范性標準要求；最后是材料需要配合特定的打印工藝，但高分子材料的研究工作往往會基于材料本身的力學性能決定，材料的可加工性會受到熱穩(wěn)定性的影響，這些都是后續(xù)研究中需要考慮的問題。

4 結語

高分子3D打印技術在未來必然進入標準化和體系化的發(fā)展環(huán)節(jié)當中，針對現(xiàn)有材料的技術改進與新材料的研究也將朝著產(chǎn)業(yè)化規(guī)模發(fā)展。我們從研究中可以了解到3D打印產(chǎn)品與技術的優(yōu)勢所在，也證明了其在未來行業(yè)領域具有足夠的地位，必然成為行業(yè)主流研究工作，在質(zhì)量控制等多個方面實現(xiàn)技術革新，滿足不同領域的需求。

參考文獻：

[1]毛宏理，顧忠偉.生物3D打印高分子材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國材料進展，2019（12）：949-969.

[2]徐常有，譚晶，楊衛(wèi)民，焦志偉.基于FDM螺桿式3D打印陶瓷基復合材料成型工藝參數(shù)的研究[J].塑料科技，2018，46（12）：15-18.

作者簡介：王超（1990-），男，陜西戶縣人，本科，助理工程師，研究方向：化學工藝。