3D打印高分子材料發(fā)展現狀與趨勢探討

尤紅 陳君 魏東

摘要：第三次科技革命催生了一大批高新科技熱門技術，3D打印就是其中的佼佼者。它以計算機中的三維建模為依托，將金屬、樹脂等材料逐層物理疊加，最終把虛擬的建模變?yōu)閷嵨铩０凑占夹g原理與材料的不同，3D打印可以粗略地分為三類，即立體光固化、三維印刷成型與激光熔覆成型技術。工藝的蓬勃發(fā)展勢必會伴隨著材料的革新，本文將對目前3D打印用高分子材料的發(fā)展現狀進行分析，并以此對高分子材料今后在該領域的應用趨勢作一展望。

關鍵詞：3D打??；高分子材料；發(fā)展趨勢

一、3D打印高分子材料介紹

（一）高分子絲材

FDM是近幾年比較權威的快速成型技術之一，而高分子絲材在目前FDM型3D打印機中應用最廣，一般使用電加熱工具將高分子絲材加熱至熔點，再在計算機的智能操控下，覆蓋堆疊熱熔絲材，最終形成一個理想的工件。

1、ABS樹脂

ABS樹脂是苯乙烯與聚丁二烯橡膠與單體丙烯氫聚合而成的接枝共聚物，它韌性與抗腐蝕性俱佳，在汽車、電器行業(yè)都獲得了廣泛認可。但其遇冷時收縮性大，打印過程中經常出現脫落翹曲或開裂，為了改善ABS的成型質量，邱軍等將強度較高的PC樹脂與ABS共混后，使ABS的收縮率穩(wěn)定保持在0.3～0.5。仲偉虹等在ABS中填充了短切玻璃纖維，顯著降低了ABS制品的收縮率，獲得了更適用于FDM打印工藝的材料。

2、PLA樹脂

PLA樹脂是從植物中提取出的一種清潔材料，可轉化為二氧化碳和水，不會對環(huán)境造成負擔。此外，由于其玻璃化轉變溫度僅為60℃左右，附著與延展性極佳，所以就算使用簡結構的開放式打印機，也不會輕易形變，但韌性與剛性較差也制約著它的應用。

近年來，國內有不少針對PLA樹脂改性的研究。陳衛(wèi)等采用適當擴鏈劑，通過熔融共混工藝制備了改性PLA，使其沖擊強度較純PLA材料提高了140%。湯一文等利用無機增韌劑PLA進行增韌研究，不僅可以提高了韌性，還增強了PLA的剛性，實現了剛韌并舉的目標。

3、PC樹脂

PC是一種熱塑性工程樹脂，它的分子鏈中含有一定比例的碳酸酯基，收縮率較小不易變形，不僅在抗沖擊、阻燃方面令人滿意，而且?guī)缀鯖]有任何的毒性。但它的耐水解穩(wěn)定性不高，顏色單一且長期暴露在紫外線中有發(fā)黃的問題，為獲得性能與性價比兼美的材料，中國科學院化學研究所將PC和芳族聚酯的共混物牽拉至條狀，再以電子束輻射照射，使其性狀交聯，達到增強穩(wěn)定性的目的。

（二）光敏樹脂

光敏樹脂通常應用在立體光固化3D打印領域，性能主要由光引發(fā)劑、聚合物單體、預聚物、填料和助劑四個部分決定，利用數碼光的照射使其發(fā)生聚合反應，進而凝固成三維固件。但光敏樹脂的力學強度與耐熱性皆低于大部分工程樹脂，這也使它的使用陷入瓶頸。但相比需要制備成線裝或粉狀的高分子材料，液態(tài)的光敏樹脂在共混、分子裁剪方面自由度和靈活性更有優(yōu)勢，容易產生可以應用在特殊領域的高分子材料。楊桂生等就以尼龍微球改性光敏樹脂，獲得了力學彎曲強度最大為105MPa、收縮率最小為0.7%，穩(wěn)定性極好的3D打印材料，可在制備結構復雜的精密構件領域充分推廣應用。

（三）高分子粉末

由于高分子粉末在燒結過程中所需的能量遠遠低于燒結其他粉末的熱能，流程也比較簡便，所以高分子粉末在SLS成型技術中的應用可謂相當普遍，但SLS成型技術研究起步時間較晚，工藝實現上還存在一些問題，所以導致高分子粉末在實際應用中亦有限制。為滿足SLS成型技術在尺寸精度、力學性能方面的諸多要求，廣東銀禧科技股份有限公司發(fā)明了選擇性激光燒結聚丙烯粉末材料的制備及應用方法：首先深冷粉碎得到聚丙烯粉末，然后使用氣流篩分機分級收集粒度在15～74μm（800～200目）的粉末，得到的的聚丙烯粉末燒結性能更強，打印過程中力學性能和尺寸精度都能達到一個理想的水平。另外，哈佛大學工程與應用科學院的科學家與Wyss生物工程研究所聯手研發(fā)了一種環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種粉末經過打印后成型的構件可用于建造輕質建筑。在建筑中應用3D打印技術，這是3D打印在工業(yè)承重領域邁出的堅實一步。

二、3D打印高分子材料的發(fā)展趨勢展望與結語

近年來，3D打印技術發(fā)展迅猛，成為了新興的技術藍海，隨著科研水平的提高，我國的3D打印技術也逐漸深入到社會生活的方方面面，但我國關于3D打印高分子材料的研究尚存諸多空白，想要為這些空白填補答案，就必須做到：

第一，不斷推進3D打印材料研發(fā)工程從基礎的力學承載力、耐熱度向更深的細節(jié)表現與可加工性方向探索；

第二，制定3D打印技術的材料行業(yè)準入原則與參考標準，讓3D打印技術向標準化和體系化縱深發(fā)展；

第三，在高分子材料的研究與應用領域不遺余力地提倡創(chuàng)新思維，積極革新現有技術；

第四，增加對3D打印材料研發(fā)和應用領域的資金投入與學術型人才支持。

只有這樣，才能打破國內3D打印材料研發(fā)短缺，長期依賴國外進口的短板，從根源掙脫技術發(fā)展的囹圄，確保3D打印技術獲得更好的市場發(fā)展前景。

參考文獻

[1]張羅悅.關于3D打印用高分子材料的研究與應用探討[J].化工管理，2018（29）：138.

[2]郭華清，徐冬梅.3D打印用高分子材料的研究進展[J].工程塑料應用，2016，44（11）：118-121.

[3]張云波，喬雯鈺，張鑫鑫，馬芳，翟蓮娜，顧哲明.3D打印用高分子材料的研究與應用進展[J].上海塑料，2015（01）：1-5.

[4]梁曉靜，于曉燕.3D打印用高分子材料及其復合材料的研究進展[J].高分子通報，2018（04）：27-35.

（作者單位：中船重工安譜（湖北）儀器有限公司）