淺析3D打印材料的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

余思泓 湖南省長(zhǎng)沙麓山國(guó)際實(shí)驗(yàn)學(xué)校

1 高分子絲材的應(yīng)用研究

高分子絲材主要被應(yīng)用在FDM機(jī)型3D打印機(jī)中，是當(dāng)前十分常見的3D打印材料，其在實(shí)際應(yīng)用中用絲狀塑料作為基礎(chǔ)的打印耗材，通過電力加熱來將絲材熔化，并以計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制，把熔化后的材料附著在打印工作臺(tái)之上，并在逐層的材料堆積的過程中使其成為三維立體產(chǎn)品。打印材料研究與發(fā)展對(duì)于3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與成品質(zhì)量有著直接性的影響。高分子絲材本身就具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、收縮率較低且材料熔點(diǎn)合適等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該材料在實(shí)際應(yīng)用過程中還能保證其環(huán)保性，因此該材料在當(dāng)前可獲得廣泛性的應(yīng)用。

而將該材料細(xì)分，在當(dāng)前主要包括的材料種類涵蓋了ABS樹脂材料、PLA樹脂材料、PC樹脂材料等多種材料類型。其中，PC樹脂材料是一種綜合性能優(yōu)良的非晶型熱塑性樹脂材料，具有優(yōu)異的電絕緣性、延伸性、尺寸穩(wěn)定性及耐化學(xué)腐蝕性，較高的強(qiáng)度、耐熱性和耐寒性。同時(shí)，PC樹脂具有以下優(yōu)點(diǎn)：具高強(qiáng)度及彈性系數(shù)、高沖擊強(qiáng)度、使用溫度范圍廣;高度透明性及自由染色性;成形收縮率低、尺寸安定性良好；耐疲勞性差;耐候性佳;電氣特性優(yōu);無味無臭對(duì)人體無害符合衛(wèi)生安全。該材料所制成的打印材料在實(shí)際應(yīng)用中相比ABS材料具有更高的強(qiáng)度性能。但是該材料在實(shí)際應(yīng)用中也存在著顏色種類少、材料加熱后可能會(huì)產(chǎn)生一定的有害物質(zhì)等缺陷。因此在利用該材料進(jìn)行打印時(shí)應(yīng)當(dāng)將打印設(shè)備的噴嘴溫度控制在255度到280度之間，而工作臺(tái)的溫度則應(yīng)當(dāng)控制在120到150度之間。

2 光敏樹脂材料的應(yīng)用研究

光敏樹脂材料也被稱作UV材料，其能夠在紫外光的照射下出現(xiàn)相應(yīng)的聚合反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)固化。該材料在當(dāng)前也是3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要材料類型，具有十分重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在立體光固化3D打印技術(shù)當(dāng)中，打印設(shè)備需利用激光、數(shù)碼光等多種形式的光束對(duì)光敏樹脂材料進(jìn)行照射，并在逐層掃描的過程中使其發(fā)生凝固，最終堆積成與設(shè)計(jì)相符的三維實(shí)體。該材料在3D打印中的應(yīng)用具有表面精度較高、細(xì)節(jié)塑造能力強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)，通常將其運(yùn)用在精密度要求較高的模具制造工作當(dāng)中。但是該材料本身的性能將對(duì)產(chǎn)品制造的精度、制造性能等造成較為嚴(yán)重的影響，因此在之后的光敏樹脂材料制造與研究過程中應(yīng)當(dāng)將提升材料性能作為研究重點(diǎn)。

光敏樹脂材料在我國(guó)的應(yīng)用與研究時(shí)間較短，但是卻已經(jīng)取得了十分喜人的成績(jī)。低翹曲混雜型光敏樹脂材料在實(shí)際應(yīng)用過程中具有十分重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能有效的降低零件成品變形的問題發(fā)生率，具有自由基與陽離子聚合體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該材料在3D打印中的使用精度已經(jīng)突破0.2%，進(jìn)一步推動(dòng)了光固化3D打印技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品模型打印中的應(yīng)用。

3 粉末材料的應(yīng)用研究

SLS技術(shù)也是當(dāng)前重要的快速成形技術(shù)的一種，其是建立在憑借激光作為主要的熱源形式實(shí)現(xiàn)的粉末材料燒結(jié)的基礎(chǔ)之上的。該技術(shù)應(yīng)用過程中可將所有能夠在受熱后出現(xiàn)粘結(jié)狀態(tài)的粉末作為基礎(chǔ)材料，當(dāng)前常用于3D打印中的這類型基礎(chǔ)材料包括高分子粉末、陶瓷粉末以及金屬粉末等。其中，高分子粉末用量最大、應(yīng)用范圍最廣、成型方式最多的材料為高分子材料，主要包括高分子絲材、光敏樹脂及高分子粉末3種形式。材料的研究與發(fā)展在一定程度上決定了3D打印技術(shù)能否得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，而作為適用于FDM的高分子絲材，應(yīng)具備高機(jī)械強(qiáng)度、低收縮率，適宜的熔融溫度、無毒環(huán)保等基本條件。但是，在SLS技術(shù)缺陷的限制下，要保證3D打印成品的強(qiáng)度與精度得到保證，則應(yīng)當(dāng)不斷的實(shí)現(xiàn)高分子粉末材料性能的優(yōu)化研究，降低粉末粘結(jié)溫度，降低材料收縮率并不斷的提升材料強(qiáng)度。

聚苯乙烯、尼龍等都是當(dāng)前常見的高分子粉末材料，在3D打印中的應(yīng)用較為普遍，但是研究工作依舊在進(jìn)行。研究人員在尼龍粉末材料中加入碳纖維，制成高分子復(fù)合粉末材料，實(shí)現(xiàn)了尼龍分子材料的實(shí)際抗彎強(qiáng)度和抗彎模量。而選擇性激光燒結(jié)聚丙烯粉末材料在實(shí)際應(yīng)用過程具有十分重要的燒結(jié)性能優(yōu)勢(shì)，利用該材料制造而成的產(chǎn)品在力學(xué)性能、制造精度等方面都存在著十分明顯的優(yōu)勢(shì)，該材料在當(dāng)前已被用于汽車模型打印、機(jī)械模型打印等工作中。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)在當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與多個(gè)行業(yè)當(dāng)中，但是針對(duì)該技術(shù)的不同應(yīng)用原理而言，其所適用的打印材料也存在著一定的差異。根據(jù)打印技術(shù)原理以及所適用材料的不同，3D打印技術(shù)可分為激光熔覆成型技術(shù)（LCF）、 融沉積快速成型技術(shù)（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS） 、立體光固化技術(shù)（SLA） 、三維印刷成型（3DP）等。它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。研究人員在利用以上材料實(shí)現(xiàn)3D打印的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)不斷的進(jìn)行材料創(chuàng)新研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的應(yīng)用推廣。

[1]鄒蕓鸝.“隨物賦形聚萬象”—3D打印技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究[D].湖南師范大學(xué),2016.