基于高分子材料3D打印成型技術(shù)的研究

＊李 寧

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 712000）

引言

3D打?。ㄒ卜Q為增材制造）是一種快速成型技術(shù)，該技術(shù)基于金屬模型文件使用粉末狀的金屬、塑料或其他粘合劑作為基礎(chǔ)材料。這是一項技術(shù)（即“分層建模技術(shù)”）。3D打印是一種“自上而下”的制造過程，可以存儲材料，并具有明顯的優(yōu)勢，例如降低了制造成本和縮短了制造周期，因此被稱為“數(shù)字革命的最具標(biāo)志性制造工具”。近年來，隨著行業(yè)的發(fā)展，3D打印在世界范圍內(nèi)掀起了新的浪潮。同時，3D打印成型技術(shù)徹底改變了汽車制造，航空航天，教育和研究以及醫(yī)療保健領(lǐng)域的突破。

1.3D打印成型技術(shù)的工作原理

3D打印和成型技術(shù)是跨學(xué)科技術(shù)（例如數(shù)字技術(shù)，新材料技術(shù)和光學(xué)技術(shù)）發(fā)展的產(chǎn)物。成熟的3D打印和成型技術(shù)使能夠快速，高效和廉價地生產(chǎn)產(chǎn)品。此外，用于3D打印成型技術(shù)的原材料僅用于生產(chǎn)所需的產(chǎn)品，并且打印的內(nèi)容更加細(xì)膩和輕便。如果印刷品不受生產(chǎn)限制，則可以以最理想的方式實現(xiàn)其功能。結(jié)果，3D打印產(chǎn)品比傳統(tǒng)的機械零件更輕，性能更好，功能更強大。

2.高分子材料3D打印成型技術(shù)

(1)光固化成型技術(shù)(SLA)

光固化成型技術(shù)也稱為三維光固化成型技術(shù)，使用特定波長和強度的紫外線激光束來控制掃描儀，并根據(jù)預(yù)先設(shè)計的分層橫截面信息跟蹤光基成型材料。處理并掃描整個生產(chǎn)線。掃描區(qū)域中的成型材料固化以完成零件層。然后控制升降臺在Z軸方向上移動以減小層的厚度。然后掃描并固化新層。新的硬化層牢固地粘附到上一層，然后逐層重復(fù)此步驟。完成操作。光固化成型技術(shù)的整個過程通常包括三個主要步驟：預(yù)處理，逐層涂層成型和后處理。通過光固化成型制造的零件的表面質(zhì)量，表面光潔度和原材料利用率達到100%（環(huán)，手機殼等），這對環(huán)境友好，不會造成任何問題。缺點是加工設(shè)備和原材料相對昂貴，并且在制造過程中額外的支撐結(jié)構(gòu)。

(2)熔融沉積建模(FDM)

熔體沉積建模是美國學(xué)者ScottCrump博士于1988年開發(fā)的一種無激光加工方法。處理原理是噴嘴在計算機控制下沿x、y和z軸移動。燈絲在噴嘴中被加熱到熔融狀態(tài)，然后從噴嘴中擠出以進行精細(xì)打印。當(dāng)前，熔融沉積建模（FDM）過程中使用的材料主要是絲狀聚合物和復(fù)合材料。熔融沉積建模（FDM）技術(shù)具有高速，安全，低成本和易于操作的優(yōu)點，可以進行機械加工，高分辨率材料加工，數(shù)控和廣泛的應(yīng)用。整個熔體沉積建模過程包括兩個主要部分：螺桿擠出過程和熔體沉積建模過程。

(3)激光選擇性燒結(jié)技術(shù)(SLS)

激光選擇性燒結(jié)技術(shù)（SLS）是一種3D打印成型技術(shù)，始于1980年代，最初由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard開發(fā)。用這種技術(shù)制成的產(chǎn)品可以用各種粉末材料加工和成型。首先，將3D實體零件沿Z軸堆疊，然后將一層粉末材料放在工作臺上，根據(jù)每個零件的CAD數(shù)據(jù)進行掃描，然后用高強度CO2激光照射。未被激光掃描的區(qū)域中的粉末材料可以重新用作零件和下一個粉末層的支撐輔助結(jié)構(gòu)。燒結(jié)第一層時，工作臺減少一層，然后將新的粉末材料層放置在印刷層的頂部，然后繼續(xù)進行掃描和燒結(jié)。新的印刷層被燒結(jié)并與先前的層逐層結(jié)合。以上所有步驟的循環(huán)，直到完成3D工件的整個處理為止。最后，在將粉末噴涂并粉碎后，可以獲得具有三維結(jié)構(gòu)的燒結(jié)零件。

3.3D打印成型技術(shù)成型用高分子材料

(1)用于光固化成型的聚合物材料

光敏樹脂材料是用于快速光固化原型的材料，并且是主要由低聚物，光引發(fā)劑和稀釋劑組成的液體光固化樹脂。SLA中使用的光固化樹脂與普通光固化中使用的預(yù)聚物相似，但有所不同。SLA中使用的光源是單色光，與正常的UV光不同。同時，SLA技術(shù)更加先進。因此，用于SLA的光固化樹脂通常應(yīng)具有以下特性：①固化前性能穩(wěn)定，易于儲存和運輸；②低粘度，良好的流平性和可操作性以及600cP的一般粘度。③降低收縮率，以不影響整個產(chǎn)品的組成和精度，例如內(nèi)部收縮部分中的應(yīng)力，翹曲，變形和裂縫。④成型機的固化速度快，可減少固化變形，提高工作效率。商業(yè)需求生產(chǎn)；⑤膨脹小，以確保模型的高精度；固化僅在照射點進行；高靈敏度激光可以保證組件的制造精度。高濕強度可防止后固化過程中的變形，溶脹和分層。

(2)纖維聚合物和復(fù)合材料的熔融沉積建模模擬

ABS聚合物材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物的首字母縮寫。ABS是一種非晶態(tài)熱塑性聚合物結(jié)構(gòu)材料，具有高強度，出色的韌性以及易于加工和成型的特性，也被稱為ABS樹脂。在這種情況下，將工作板預(yù)熱（50-100℃），以平滑模型的底部。近年來，國內(nèi)外科研人員對ABS材料的變化進行了大量的研究，以提高ABS的性能和范圍，更好地滿足3D打印成型技術(shù)的實際應(yīng)用需求。FDM技術(shù)由93W-Ni-Cu/ABS復(fù)合金屬絲制成，該金屬絲由工業(yè)鎢，鎳，銅和ABS制成，F(xiàn)DM技術(shù)用于印刷緊湊且機械性能優(yōu)越的生坯。坯料的固含量為40%，模量可達到1390MPa，比ABS的模量高55.3%。聚碳酸酯（PC）材料聚碳酸酯是一種高分子量聚合物，在分子鏈中具有多個碳酸基團，于1950年代后期開發(fā)。一種工程熱塑性樹脂，具有高無色透明性。最早由德國拜耳公司開發(fā)，在1990年代實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

(3)粉末材料選擇性燒結(jié)工藝

針對SLS工藝，尤其是在汽車制造領(lǐng)域，它是一種3D打印技術(shù)，結(jié)合了SLA和FDM工藝的優(yōu)缺點。原理主要是粉末材料的熔化和冷凝過程，然后是固體物體的生產(chǎn)過程。原理圖如圖1所示。①首先，將粉末材料放入粉末槽中并融化。②接下來，使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺上反復(fù)移動它，以使液體逐漸固化，形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終產(chǎn)生固體。SLS流程的優(yōu)點是：適用于制造中小型零件。所使用的粉末材料是環(huán)境友好的，并且可以使用許多粉末材料，從而節(jié)省了成本。SLS處理的結(jié)果非常準(zhǔn)確，可以快速形成。此外，SLS工藝的另一種可能性是，有許多類型的混合粉末材料可以生產(chǎn)新的工件。SLS工藝的缺點是粉末顆粒會干擾目標(biāo)物品的指定光滑度，形成許多小孔，并且需要對材料進行后處理。

圖1

(4)絲狀材料選擇性熔覆工藝

就FDM工藝而言，它是一種相對成熟且廣泛使用的3D打印技術(shù)，其原理主要是將絲狀材料熔化并重組以產(chǎn)生固體物體的過程。原理圖如圖2所示。①將模壓成型的材料放入線輪中并使其熔化。②用噴嘴擠壓并在工作臺上反復(fù)移動以逐漸固化液體，形成由計算機設(shè)定的形狀，最后形成固體。FDM工藝的優(yōu)勢在于，使用的大多數(shù)絲狀材料都是基于廢物的，這不僅可以使用廢物，而且還可以保護環(huán)境。此外，F(xiàn)DM工藝對設(shè)備精度的要求非常低，可以節(jié)省大量的制造成本。SLA流程的缺點是它具有較大的打印錯誤，并且只能打印較大的，不準(zhǔn)確的目標(biāo)物料。這尤其適用于打印大型零件。

圖2

4.結(jié)束語

綜上所述，3D打印成型技術(shù)已迅速發(fā)展為新技術(shù)，聚合物材料的3D打印成型技術(shù)也已迅速發(fā)展，并已廣泛而深入地應(yīng)用于人們的生活。生活的各個方面都經(jīng)歷了便利和先進技術(shù)帶來的巨大變化。隨著用于聚合物材料的3D打印成型技術(shù)的發(fā)展，對打印成型材料的性能提出了更高的要求。