高分子3D打印材料和打印工藝的探討

俞春紅

摘? 要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為3D打印技術(shù)的發(fā)展，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)材料加工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)優(yōu)勢顯著，故受到了各個領(lǐng)域的高度重視。現(xiàn)階段，打印工藝和打印材料是制約這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的主要因素。故文章首先介紹幾種常用的高分子打印材料，然后對打印工藝的發(fā)展情況進(jìn)行探討，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印材料;打印工藝;高分子材料

中圖分類號：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0104-02

Abstract： The development of science and technology has laid a solid foundation for the development of 3D printing technology. Compared with the traditional material processing technology， 3D printing technology has significant advantages， so it has been highly valued in various fields. At present， printing technology and printing materials are the main factors restricting the development of this technology. Therefore， this paper first introduces several commonly used polymer materials for printing， and then discusses the development of printing technology， in order to provide reference for related industries.

Keywords： 3D printing materials; printing technology; polymer materials

引言

3D打印工藝的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)材料加工技術(shù)的顛覆。這種技術(shù)被稱為增材制造技術(shù)，能夠?qū)⑷S數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并通過物理層疊加的方式，完成材料的制造和加工，促使虛擬模型轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體的技術(shù)。其特點(diǎn)和優(yōu)勢十分鮮明，是數(shù)字化制造目標(biāo)達(dá)成的重要途徑，任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)均能利用這項(xiàng)技術(shù)加工，這是傳統(tǒng)加工制造技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。因此對此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 高分子3D打印材料

在3D打印中，熱塑性高分子屬于常用的材料，究其原因，主要是這種材料便于擠出、吹塑和注射加工，且應(yīng)用歷史較長，故發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，工程塑料以及生物塑料均屬于熱塑性高分子材料，在實(shí)際應(yīng)用過程中，經(jīng)常以絲狀為主。

工程塑料具有良好的應(yīng)用效果，與其他材料相比，這種材料在機(jī)械強(qiáng)度和耐候性方面優(yōu)勢明顯，因此以工程塑料為原材料的打印物品應(yīng)用范圍廣泛，現(xiàn)階段ABS、聚酰胺以及PC等材料屬于常見的工程塑料。

1.1 ABS

ABS屬于典型的熱塑性耗材，最早被用于FDM打印之中，在打印過程中，其溫度會恒定在210-260℃的范圍內(nèi)，故具備良好的熱穩(wěn)定性，打印過程中盡量選擇底板加熱的方式[1]。這種材料的優(yōu)點(diǎn)較多，可以保證打印產(chǎn)品的質(zhì)量。但使用這種材料打印產(chǎn)品，必須要提升溫度，使材料在高溫下融化，并且這種材料的熱脹冷縮反應(yīng)較為顯著，如果溫度場均勻程度不足，這種材料甚至?xí)撀?，?dǎo)致打印產(chǎn)品出現(xiàn)一系列的質(zhì)量缺陷，主要包括彎曲、開裂等等，此外，還會在打印過程中散發(fā)難聞的氣體，長期在這種環(huán)境下工作，人體各項(xiàng)機(jī)能會受到損傷。為對其缺陷進(jìn)行改正，研究人員在經(jīng)過大量研究后發(fā)現(xiàn)，將填充材料加入到這種材料中，可以改善其性能，是解決材料缺陷的有效途徑。比如：國外學(xué)者將氣相生長碳纖維加入其中，使ABS材料的性能大幅度增強(qiáng)。具體表現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度和模量上。

1.2 PC樹脂

PC樹脂與ABS相比，其特性更為優(yōu)異，究其原因，主要是這種材料在兼具ABS優(yōu)點(diǎn)的同時，在打印過程中不會散發(fā)難聞和有毒氣體，其收縮率和阻燃性均好于ABS，在制備高強(qiáng)度3D產(chǎn)品時應(yīng)用廣泛。但是這種材料同樣存在缺陷，這種缺陷體現(xiàn)在使用成本和著色性能上。為對其缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，研究人員進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為將其與樹脂混合應(yīng)用，可以使其性能得到全面改善。

1.3 PA材料

所謂的PA就是我們平時常見的尼龍，此類材料的拉伸強(qiáng)度和柔韌性能十分良好，商業(yè)化價值較高，同時還具有非常高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，極限值高達(dá)110℃，以PA作為打印材料制造的產(chǎn)品，具有良好彈性、韌性以及強(qiáng)度，可以打印出高質(zhì)量的衣服。但這種材料與上述兩種材料相比，無法保證打印產(chǎn)品的精度[2]。

此外，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，3D打印高分子材料不再局限于上述幾種，一種全新的熱縮性樹脂逐漸被3D打印領(lǐng)域所應(yīng)用，與其他材料相比，這種材料可以自然降解，故不會對環(huán)境造成過大的破壞，但在打印產(chǎn)品性能上卻遠(yuǎn)不如上述幾種材料的打印產(chǎn)品。

2 熱塑性高分子3D打印工藝

2.1 FDM打印工藝

針對上述幾種熱塑性高分子材料，目前所采用3D打印工藝為FDM，這種打印工藝又名熔融沉積成型。在打印過程中，需要通過加熱的方式，將高分子材料的形狀轉(zhuǎn)化為絲狀。如果高分子材料的形狀為粉狀，可以應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)工藝進(jìn)行產(chǎn)品打印。

FDM工藝最早出現(xiàn)于美國，通過對熱塑性聚合物的使用，并將其轉(zhuǎn)化為絲狀耗材，在步進(jìn)電機(jī)的擠壓作用下，材料會集中于噴頭內(nèi)，在提升溫度后，材料會逐漸融化，并被噴頭擠出，逐漸成為三維立體模型，最終完成3D產(chǎn)品的打印，在這一過程中，噴頭會沿著既定的截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，如圖1所示，這就是FDM工藝的技術(shù)原理。

這項(xiàng)3D打印工藝較為簡單，無需使用復(fù)雜的設(shè)備，且技術(shù)較為成熟，故在低端3D打印設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其出現(xiàn)和應(yīng)用，拉近了3D打印工藝與普通大眾之間的距離，自此之后，普通大眾對3D打印的了解也逐漸加深，故促進(jìn)了這項(xiàng)工藝的大眾化發(fā)展。就打印質(zhì)量而言，尺寸和存儲性能是這項(xiàng)工藝的優(yōu)勢所在，再加上高分子熱塑性材料的應(yīng)用，使產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提升。但這種打印工藝也存在缺陷，具體表現(xiàn)為產(chǎn)品表面精度不足，層效應(yīng)十分明顯。并且這種缺陷在使用小寬度或厚度的材料后，依然無法得到改善，產(chǎn)品上的等高線輪廓和建構(gòu)層厚肉眼可見。最為嚴(yán)重的缺陷是這種工藝在使用支撐材料后，會導(dǎo)致產(chǎn)品對支撐材料的依賴程度上升，如果將支撐材料去除，則會威脅產(chǎn)品本體的質(zhì)量。比如：突起、抽絲等。而另一種3D打印工藝立體平板印刷，則與之相反，在使用溶劑或加熱后，即使將支撐材料移除，產(chǎn)品質(zhì)量也不會受到影響。值得注意的是，支撐材料屬于一次性材料，回收再利用難度較大，隨著3D打印產(chǎn)品數(shù)量的增加，耗材浪費(fèi)現(xiàn)象也會逐漸嚴(yán)重。

但考慮到這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，研究者將精力投入到改善措施的研究之中，且取得了一定的成果，比如：在打印過程中，如果產(chǎn)品對表面精度要求較高，則改變其成型方向，促使其由水平方向變?yōu)榇怪狈较?，如果產(chǎn)品對表面精度要求較低，則以水平方向?yàn)橹鳌６渭庸ご蛴〖瑯邮强尚械姆椒ǎ獸DM工藝打印成型的產(chǎn)品，在固化后會十分堅(jiān)硬，如果僅采取機(jī)械打磨，無法起到應(yīng)有的作用，需要拋光劑配和[3]。

2.2 選擇性激光燒結(jié)打印工藝

這種3D打印工藝的簡稱為SLS，主要運(yùn)用的高分子材料包括金屬和陶瓷，在打印熱塑性材料亦可發(fā)揮作用，其所應(yīng)用的熱塑性材料并非是絲線狀，而是聚合物粉末。其打印步驟如下所述：（1）打印裝置的送料桶會持續(xù)上升;（2）鋪粉滾筒移動后，促使粉末材料在工作平臺上攤鋪;（3）由工作人員利用計(jì)算機(jī)控制激光，使選定區(qū)域的熱塑性粉末燒結(jié);（4）熔化帶有粘結(jié)劑的粉末，并在此基礎(chǔ)上，促使一體化打印層形成;（5）完成首層燒結(jié)后，工作臺向下移動，在移動過程中，鋪粉滾筒會攤鋪粉末材料，然后燒結(jié)，通過上述步驟的重復(fù)，完成產(chǎn)品的打印。

這種3D打印工藝相較于FDM而言，涉及到溫度上升和材料冷卻，故打印制品需要經(jīng)過一定的時間方能成型，并且打印產(chǎn)品質(zhì)量存在嚴(yán)重的缺陷，具體表現(xiàn)為表面疏松多孔，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不強(qiáng)，產(chǎn)品容易在外界因素的影響下變形，故在打印高分子材料時，無法取得良好的效果。但在打印金屬和陶瓷等材料時，可以將高分子聚合物作為基礎(chǔ)，使其與陶瓷和金屬等材料相融合，繼而完成復(fù)合材料制品的打印，可以說這種工藝的出現(xiàn)，為3D打印工藝的發(fā)展，開辟了全新的路徑。

此外，伴隨著3D打印技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，一種基于光敏樹脂的3D打印工藝已經(jīng)出現(xiàn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。其打印成型的原理接近于FDM，但噴頭處所擠壓的材料不是絲狀熱塑性材料，而是液態(tài)光敏分子。與FDM相比，這種技術(shù)在產(chǎn)品成型后，既可去除支撐材料，且產(chǎn)品表面精度十分良好。但由于打印材料成本高昂，故在當(dāng)前背景下，無法取代FDM技術(shù)的優(yōu)勢地位。

3 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)的普及應(yīng)用，使產(chǎn)品加工成型效率大幅度提升，但3D打印技術(shù)的發(fā)展卻逐漸陷入了瓶頸，具體表現(xiàn)為材料成本高昂，且特定材料需要與特定工藝相關(guān)聯(lián)。故建議研究人員加強(qiáng)研究力度，早日解決3D打印工藝存在的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉衛(wèi)兵，錢素娟，劉志東.3D打印用高分子材料及打印成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2020，37（02）：85-89.

[2]王超，袁媛，任蕊，等.高分子3D打印材料和打印工藝探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（10）：55.

[3]曹玉松.高分子3D打印材料和打印工藝研究[J].化工管理，2018（32）：78-79.