聚乳酸材料在桌面型3D打印中的應(yīng)用研究*

肖蘇華，巫小珍

(廣州城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州510405)

0 引言

3D 打印也稱為增材制造、快速成型，是近二十年信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為有望產(chǎn)生“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，是大批量制造模式向個(gè)性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)［1］。3D 打印技術(shù)正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，歐美等發(fā)達(dá)國家和新興經(jīng)濟(jì)國家將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，投入資金，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化［2］。

材料是3D 打印的基礎(chǔ)，決定了成型工藝和成型件的性能，目前材料的銷售額和設(shè)備銷售額幾乎基本等同。國內(nèi)增材制造開拓者之一盧秉恒院士指出:我國增材制造材料的基礎(chǔ)研究、材料的制備工藝以及產(chǎn)業(yè)化方面與國外相比存在較大差距［3］。

熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)是3D 打印常見的加工方式之一，聚合物材料應(yīng)用于FDM 方式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)樹脂和聚乳酸((Poly(lactic acid)，PLA)兩種材料。ABS 樹脂是目前使用最多的成型材料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，但在打印時(shí)易出現(xiàn)模型冷卻過程中由熱應(yīng)力所引起的翹曲變形［4］。另外眾所周知，ABS 是一種難分解材料，易造成環(huán)境污染。聚乳酸是一種可降解的生物環(huán)保聚合物材料，是FDM 中常用的材料之一。聚乳酸由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物比如玉米、馬鈴薯等為原料，經(jīng)過現(xiàn)代生物技術(shù)生產(chǎn)得到乳酸，再經(jīng)過聚合反應(yīng)而得到的高分子材料。聚乳酸在自然界和生物體中都可以最終轉(zhuǎn)化成為二氧化碳和水，是真正環(huán)保的新型的生物降解材料。

在增材制造聚合物材料成型工藝方面，業(yè)界系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、切片參數(shù)、掃描速度、掃描沉積方式、溫度調(diào)節(jié)等因素對ABS 成型件的密度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等性能以及制件的精度和表面光潔度的影響［5-6］。而聚乳酸的3D 打印成型過程中工藝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、切片參數(shù)對材料成型精度的影響機(jī)理，尚缺乏系統(tǒng)化研究。

筆者首先研究聚乳酸材料在桌面型3D 打印機(jī)中的應(yīng)用，并給出關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)置方法;其次，針對聚乳酸材料的缺陷，闡述其常用改性方法并指出下步的研究方法。

1 聚乳酸材料在桌面型3D 打印中的應(yīng)用

PLA 材料的3D 打印應(yīng)用，目前主要以桌面型3D打印機(jī)為主，桌面打印機(jī)配套有工藝設(shè)置軟件(如太爾時(shí)代的UP)。以太爾時(shí)代UP 桌面型3D 打印機(jī)為例，闡述聚乳酸材料的3D 打印應(yīng)用過程和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。

1.1 打印過程及關(guān)鍵參數(shù)

3D 打印完整過程包括CAD 三維模型構(gòu)建、STL文件格式設(shè)置、工藝參數(shù)設(shè)置、3D 打印加工、成型后處理幾個(gè)階段。STL 文件格式設(shè)置及工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可參考作者的其他論文［5-6］，本研究不再贅述，僅將3D打印機(jī)自帶STL 切片處理軟件過程進(jìn)行闡述。

第一步，打開UP 軟件，導(dǎo)入STL 文件。

第二步，設(shè)置工藝參數(shù)，主要包括層厚、填充方式，如圖1所示。圖1 中層厚是影響打印時(shí)間的最重要參數(shù)，層厚越小(如0.15 mm)，打印時(shí)間越長，但成型精度越高。與之相反，層厚越大(如0.45 mm)，打印時(shí)間越快，但成型精度較低。該零件層厚設(shè)置與加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 工藝參數(shù)設(shè)置

表1 層厚設(shè)置與加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

一般如選用0.25/0.3 mm 層厚進(jìn)行打印，可以兼顧精度和時(shí)間。填充方式是影響支撐材料的成型方式，對于產(chǎn)品精度基本無影響。

如選用0.15 mm 層厚，預(yù)計(jì)完成時(shí)間如圖2所示。

圖2 加工時(shí)間計(jì)算

打印過程如圖3所示。

圖3 零件正在打印中

最終打印產(chǎn)品如圖4所示。

圖4 打印實(shí)物照片

1.2 桌面型3D 打印聚乳酸材料工藝方法參數(shù)表

本研究使用太爾時(shí)代UP 3D 打印機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測試對比，得到的工藝參數(shù)表如表2所示。

表2 3 種模式3D 打印參數(shù)表

本研究利用表2 揭示的工藝規(guī)律方法，順利實(shí)施3D 打印加工了LED 軌道燈模型、螺母螺栓、招財(cái)貓工藝品、咖啡杯等模型零件，3D 打印產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 3D 打印產(chǎn)品

2 聚乳酸材料缺陷及改性

聚乳酸材料在3D 打印(增材制造)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，但聚乳酸材料也存在較明顯的性能缺陷:玻璃化溫度低，脆性大，熱穩(wěn)定性差，功能性單一，價(jià)格較高。尤其是耐熱能低，限制了該類材料的進(jìn)一步增材制造應(yīng)用和推廣。

為了提高聚乳酸材料的性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對聚乳酸進(jìn)行了大量的改性研究工作［7-11］。改性研究主要從兩個(gè)方面進(jìn)行:一是通過交聯(lián)、表面改性或通過共聚引入其他單體改變聚乳酸自身的分子結(jié)構(gòu)來達(dá)到性能改善的目的;二是通過共混、填充、納米復(fù)合等方法制備各種類型的復(fù)合材料從而改善聚乳酸的韌性和強(qiáng)度以及提高熱穩(wěn)定性等。常見的復(fù)合材料有以下幾種類型。

2.1 聚乳酸/無機(jī)納米復(fù)合體系

利用無機(jī)納米材料填充在聚乳酸中得到納米復(fù)合聚乳酸材料是一種改善聚乳酸的力學(xué)性能、耐熱性能以及克服材料自身的脆性的有效方式。聚乳酸的耐熱性差主要是由于加工成型過程中結(jié)晶速率非常慢造成的，而無機(jī)納米粒子的添加起到了成核劑的作用，能促進(jìn)聚合物的成核速率，加速結(jié)晶，從而提高聚乳酸的熱穩(wěn)定性。該方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①方法簡單，無機(jī)納米粒子添加量少，但少量添加的無機(jī)納米粒子能使PLA 的性能產(chǎn)生很大的變化。②在PLA 基體中分散的無機(jī)納米粒子具有較高的剛性，對PLA 分子的活動(dòng)具有一定的抑制作用，使PLA 分子鏈在受熱分解時(shí)比完全自由的分子鏈具有更高的分解溫度，從而延緩了復(fù)合材料熱分解的速率。因此有利于提高PLA 的熱穩(wěn)定性［12］。聚乳酸/無機(jī)納米復(fù)合材料可分為兩大類:一類是聚乳酸/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料，填料包括蒙脫土、云母、高嶺石、滑石粉等;另一類是聚乳酸無機(jī)剛性粒子納米復(fù)合材料，填料包括二氧化硅、二氧化鈦、氧化鎂、氧化鋅等［13］。

2.2 聚乳酸/天然植物纖維復(fù)合材料

天然植物纖維來源廣泛，價(jià)格低廉且可再生。將天然植物纖維與聚乳酸混合制備復(fù)合材料能提高聚乳酸的力學(xué)性能和耐熱性能，并能保持聚乳酸的生物降解性能。

目前采用的天然植物纖維材料主要有黃麻、大麻、亞麻、劍麻等麻類材料［14］及一些木纖維、椰殼纖維、玉米莖、稻殼、麥殼及甘蔗渣也用來作為增強(qiáng)填料使用［15］，是一種農(nóng)作物廢棄料的再利用，在提高材料性能的同時(shí)，可以有效地降低材料成本，是真正環(huán)境友好的材料。

2.3 聚乳酸三元復(fù)合體系

利用兩種增強(qiáng)劑的協(xié)同作用共同增強(qiáng)聚乳酸的三元復(fù)合體系包括:①無機(jī)納米材料與植物纖維共同增強(qiáng)聚乳酸體系;②兩種植物纖維混合增強(qiáng)聚乳酸體系［16］;③無機(jī)納米離子與聚合物混合增強(qiáng)聚乳酸體系［17］?；旌显鰪?qiáng)體系充分利用兩種增強(qiáng)體的協(xié)同作用，充分發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)能有些提高聚乳酸的耐熱性能并同時(shí)改善其力學(xué)性能。

3 結(jié)束語

聚乳酸是可完全分解的環(huán)保聚合物材料，能廣泛應(yīng)用于3D 打印領(lǐng)域。針對聚乳酸材料的3D 打印關(guān)鍵技術(shù)，研究了精度、時(shí)間及常用的3 種模式下3D 打印成型工藝規(guī)律表，并闡述了3D 打印過程，以所總結(jié)的規(guī)律為指導(dǎo)，成型了部分幾何難度各異的產(chǎn)品，具有實(shí)際意義。針對聚乳酸材料的性能缺陷，本研究闡述了目前常用的材料改性方法，其中復(fù)合技術(shù)簡單易行，能有效提高聚乳酸力學(xué)性能以及改善其耐熱性。

下步筆者將在此基礎(chǔ)上，采用復(fù)合技術(shù)提高聚乳酸材料的性能，包括力學(xué)性能及耐熱性，將聚乳酸材料能更好更廣泛地應(yīng)用于3D 打印。

［1］李滌塵，賀健康，田小永，等.增材制造:實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，3(6):129-135.

［2］Wohlers Associates.Wohlers Report 2013—Additive manufacturing and 3D printing state of the industry annual worldwide progress report［Z］.Wohlers Associates，2013.

［3］盧秉恒，李滌塵.增材制造(3D 打印)技術(shù)發(fā)展［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42(4):1-4.

［4］CHILSON L.The Difference Between ABS and PLA for 3D Printing［EB/OL］.［2013-1-26］.http://www.protoparadigm.com/news-updates/the-difference-between-abs-andpla-for-3d-printing/

［5］肖蘇華.復(fù)雜曲面薄壁零件手板模型的快速成型研究［J］.機(jī)電工程，2014，31(12):1583-1586.

［6］肖蘇華.三維CAD 實(shí)體文件轉(zhuǎn)化STL 文件格式精度研究［J］.模具工業(yè)，2014，40(9):12-14.

［7］DORGAN J R，LEHERMEIER H J，PALADE L I，et al.Polylactides:Properties and prospects of an environmentally benign plastic from renewable resources［J］.Macromolecular Symposia，2001(175):55-66.

［8］NAMPOOTHIRI K M，NAIR N R，JOHN R P.An overview of the recent developments in polylactide (PLA)research［J］.Bioresource Technology，2010，101(22):8493-8501.

［9］PANG X A，ZHUANG X L，TANG Z H，et al.Polylactic acid (PLA):Research，development and industrialization［J］.Biotechnology Journal，2010，5(11):1125-1136.

［10］RASAL R M，JANORKAR A V，HIRT D E.Poly(lactic acid)modifications［J］.Progress in Polymer Science，2010，35(3):338-356.

［11］INKINEN S，HAKKARAINEN M，AIBERTSSON A C，et al.From lactic acid to poly(lactic acid)(PLA):characterization and analysis of PLA and its precursors［J］.Biomacromolecules，2011，12(3):523-532.

［12］梅芳芳，彭 婭，孫 飛，等.聚乳酸改性的研究進(jìn)展［J］.工程塑料應(yīng)用，2011，39(9):89-91.

［13］樊國棟，劉榮利.聚乳酸/無機(jī)納米粒子復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2013，31(26):68-73.

［14］施慶鋒.基于聚乳酸的生物可降解復(fù)合材料的制備和研究［D］.上海:華東理工大學(xué)材料學(xué)院，2011.

［15］宋亞男，陳紹狀，侯麗華，等.植物纖維增強(qiáng)聚乳酸可降解復(fù)合材料的研究［J］.高分子通報(bào)，2011(9):111-120.［16］費(fèi)曉瑜.天然纖維混雜增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備及性能研究［D］.天津:天津大學(xué)材料學(xué)院，2012.

［17］李冬冬.聚乳酸/POE/納米而氧化硅復(fù)合材料的制備與性能［D］.杭州:浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，2011.