3D打印及去支撐的技術(shù)分析*

陳峻岐

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021）

3D打印技術(shù)的興起，加快了工業(yè)制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)，對(duì)食品、醫(yī)學(xué)、航天等均帶來(lái)了飛躍，改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局，突破了當(dāng)前研究的瓶頸。為了適應(yīng)打印技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)虛擬仿真的方式，將3D打印的主材料、支撐材料、技術(shù)進(jìn)程、零件制造更好地表達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色一體化打印，打通了研發(fā)通道，有利于向清潔、低碳、環(huán)保的3D打印金屬不斷邁進(jìn)。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印

3D打印是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，基于堆積技術(shù)將物體逐層立體打印并疊加起來(lái)的一種新興技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物體的快速成型，簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率，3D打印屬于增材制造技術(shù)[1]。3D產(chǎn)業(yè)能夠極大提升國(guó)家工業(yè)技術(shù)水平，提高工業(yè)設(shè)計(jì)能力，注重對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)處理，有利于生產(chǎn)特殊的物體結(jié)構(gòu)，目前已商業(yè)化運(yùn)行[2]。3D打印改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局，將加速數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的有機(jī)融合，加快了企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)了生產(chǎn)力的快速發(fā)展[3]。

1.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印已成為許多國(guó)家的“第三次工業(yè)革命”象征，被廣泛應(yīng)用各個(gè)行業(yè)。隨著3D打印技術(shù)的不斷深入，優(yōu)勢(shì)更加明顯。王菊霞[4]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)制造與維修中，能夠加快汽車(chē)的研發(fā)速度，提高汽車(chē)的節(jié)能環(huán)保效果；范士潔等[5]將3D打印技術(shù)用于髖臼骨折輔助手術(shù)治療，減少了在手術(shù)過(guò)程中病人的失血量，縮短了手術(shù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了髖臼骨折的精準(zhǔn)治療；易少凌等[6]研究3D打印在藥物制劑的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，為個(gè)性化藥物制劑的生產(chǎn)提供了參考依據(jù)；林志偉等[7]基于數(shù)控機(jī)床，在3D打印的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的CAM系統(tǒng)，為理工科3D技術(shù)的應(yīng)用提供了方案；張楠等[8]為了提高遙感相機(jī)的主承力，使用碳化硅作為原材料，采用3D打印技術(shù)研制主承力結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性；王強(qiáng)等[9]通過(guò)3D打印技術(shù)制作食品，將肉糜與培養(yǎng)肉通過(guò)3D打印合成制作，為食品的數(shù)字化生產(chǎn)提供了創(chuàng)新的發(fā)展。

1.3 3D打印發(fā)展前景

3D打印的核心技術(shù)長(zhǎng)期處于國(guó)外壟斷地位，限制了我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展。盡管如此，在我國(guó)政策的支持下，在技術(shù)的引領(lǐng)下，3D打印正在快速發(fā)展，從原材料的技術(shù)更新，到打印的過(guò)程方案設(shè)計(jì)等全面發(fā)展。但受技術(shù)的封鎖，還遠(yuǎn)不及批量化工業(yè)生產(chǎn)。未來(lái)我國(guó)的3D打印技術(shù)將不斷攻克技術(shù)難關(guān)，不斷突破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，不斷深入到各個(gè)行業(yè)，特別是在高、精、尖領(lǐng)域發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從概念快速過(guò)渡到功能化發(fā)展。

2 3D打印支撐技術(shù)

2.1 3D打印材料

2.1.1 塑料材料

3D打印材料中塑料性材料被廣泛采用，如ABS、PC、PLA等塑料性有機(jī)材料，屬于固態(tài)性質(zhì)。使得塑料性3D打印機(jī)具有一定的耐熱性，無(wú)毒無(wú)害，同時(shí)質(zhì)量輕，強(qiáng)度較高，具有一定的抗壓能力，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)，便于運(yùn)輸。塑料是最早使用的材料，在高端制造領(lǐng)域，塑料性材料很難滿(mǎn)足制造要求，塑料打印材料受到一定的限制[9]。

2.1.2 光敏樹(shù)脂材料

光敏樹(shù)脂是一種高分子聚合物樹(shù)脂，屬于液態(tài)性質(zhì)的3D打印材料。在紫外光的照射下（波長(zhǎng)250 nm～400 nm）能夠快速地實(shí)現(xiàn)固化特性，從點(diǎn)到線(xiàn)、從線(xiàn)到面實(shí)現(xiàn)3D打印效果。光敏樹(shù)脂由聚合單體與預(yù)聚體組成，具有一定的毒性，通常光敏樹(shù)脂對(duì)工作環(huán)境要求比較嚴(yán)格，成熟度高，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料[10]。

2.1.3 金屬材料

金屬3D打印材料不論是強(qiáng)度還是使用壽命，相比于其他材料更具有一定優(yōu)勢(shì)。早在20世紀(jì)90年代，德國(guó)最先采用金屬3D打印技術(shù)，采用激光直接將金屬燒結(jié)，奠定了金屬3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷完善，逐步發(fā)展成多種打印工藝，如粉末床融合、能量積淀、材料擠壓、黏合劑噴射?？梢灾圃於喾N形狀和多種金屬，傳統(tǒng)工藝難以加工的鈦合金和鎳合金，金屬3D打印機(jī)都能夠靈活應(yīng)用于各種場(chǎng)合。但金屬的粉末處理存在一定的危險(xiǎn)性，且成本較高[11]。

2.1.4 橡膠材料

橡膠類(lèi)材料屬高分子材料，分天然橡膠和合成橡膠。橡膠密度大、彈性好，有一定硬度，抗拉伸性能強(qiáng)，密封性好，具有良好的防滑及耐磨性能。車(chē)輛輪胎、密封的墊片、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品均采用橡膠類(lèi)材料。但橡膠的加工精度較粗糙，很難用于精密儀器中，因此通過(guò)3D打印橡膠技術(shù)可實(shí)現(xiàn)橡膠的廣泛應(yīng)用[12]。但打印過(guò)程存在危險(xiǎn)，且會(huì)散發(fā)出刺鼻的氣體，對(duì)身體有明顯的傷害。在批量生產(chǎn)橡膠類(lèi)模具過(guò)程中，硅膠材料不論手感還是性能均有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.1.5 陶瓷材料

材料和設(shè)備限制3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，而陶瓷材料屬于應(yīng)用困難的材料。陶瓷粉末快速燒結(jié)的過(guò)程中表面張力較大，快速凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使得產(chǎn)品表面存在許多裂紋，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。且陶瓷易碎、較硬，受產(chǎn)品性質(zhì)的影響，陶瓷材料在常規(guī)的產(chǎn)品生產(chǎn)中較少采用[13]。但陶瓷材料在軍工、航天領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，比如陶瓷的導(dǎo)熱性、抗腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性，在一定程度上突破了許多材料發(fā)展的瓶頸。對(duì)于3D陶瓷打印技術(shù)而言，發(fā)展前景廣闊。

2.2 3D打印支撐材料類(lèi)型

在3D打印的過(guò)程中，需要支撐材料輔助技術(shù)，在材料表面形成懸空結(jié)構(gòu)，在特定的部位成型。打印結(jié)束后，支撐材料能夠通過(guò)各種方式溶解，不會(huì)對(duì)主體材料制品產(chǎn)生不利影響。目前，主流市場(chǎng)廣泛采用以下3種支撐技術(shù)用于3D打印中。

1）剝離型的支撐材料，即在打印的同時(shí)，將支撐材料打印成結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松、容易剝離的結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理的方式將支撐材料剝離。但是這種剝離方式誤差較大，人員操作困難。而且剝離的過(guò)程較復(fù)雜，精準(zhǔn)度不夠，在剝離支撐材料的同時(shí)容易對(duì)主體材料產(chǎn)生破壞，且存在殘留的風(fēng)險(xiǎn)。

2）為了解決剝離型支撐技術(shù)存在的弊端，研究人員逐漸將目光投向可溶解型的支撐材料，這種支撐材料主要是聚乙烯與丙烯酸類(lèi)共聚物。它是一種水溶性的材料，打印完成后能夠溶解于水中，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響，也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危險(xiǎn)性。但水溶性材料與本體材料黏結(jié)性較差，在溶解之前通常會(huì)出現(xiàn)溶脹的現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)打印產(chǎn)品造成潛在損傷[14]。有資料報(bào)道：一種HIPS材料，在打印完成后脫離母體，溶于檸檬烯中，打印出來(lái)效果提高許多，但同時(shí)也增加了3D打印過(guò)程的成本。

3）分解型的3D打印支撐材料，即在3D打印完成后，支撐材料浸泡于酸性溶液中，酸性溶液將其酸化后產(chǎn)生氣體，從而達(dá)到分解的作用。由于使用了有機(jī)酸，會(huì)造成打印機(jī)等器件出現(xiàn)銹蝕，污染環(huán)境，因此這種分解型的方式去支撐材料存在一定的危險(xiǎn)。分解型的材料是以聚甲醛塑料作為基礎(chǔ)材料，再添加些復(fù)合材料組成[15]。聚甲醛在工程中使用廣泛，因其價(jià)格低廉，材料支撐效果好，分解后對(duì)產(chǎn)品外觀無(wú)影響，受到市場(chǎng)熱捧。

3 3D打印去支撐技術(shù)分析

3.1 綠色去支撐方案設(shè)計(jì)

支撐材料的去除處理步驟很重要，不僅會(huì)影響打印材料表面的平整度及光滑度，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的顏色、質(zhì)量、強(qiáng)度、立體效果都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，一方面保證去除支撐材料的同時(shí)不會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；另一方面去除的過(guò)程中不能引入有毒有害物質(zhì)，包括引入的物質(zhì)本身，也包括去除過(guò)程中不會(huì)因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有害化學(xué)物質(zhì)，損壞模型的表面并降低生產(chǎn)率。

本方案擬解決的技術(shù)難點(diǎn)為在目前國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上研究，此種材料和產(chǎn)品主體材料在分離前具有良好的黏結(jié)性。最后支撐材料溶于有機(jī)溶劑后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)不能對(duì)人體產(chǎn)生傷害。這種材料在打印過(guò)程中，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)，擬尋求一種可溶于低廉的有機(jī)溶劑或可溶于高溫水的材料作為支撐部分的打印材料，在產(chǎn)品后處理過(guò)程中，通過(guò)在溶劑中浸泡一定時(shí)間，支撐部分自動(dòng)溶解，而主體產(chǎn)品不參與反應(yīng)[16]。

構(gòu)建可以黏附到可溶支撐物上的材料，這對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)3D打印至關(guān)重要。支撐件和建筑材料的相鄰層之間的黏合不良會(huì)導(dǎo)致脫落和打印故障。新材料經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，具有增強(qiáng)的黏合性能，它與長(zhǎng)絲驅(qū)動(dòng)3D打印平臺(tái)中使用的各種疏水性和親水性材料兼容。

3.2 可溶性支撐材料的成分及配比

3.2.1 有機(jī)溶劑載體

有機(jī)溶劑的選擇極為關(guān)鍵。首先，該有機(jī)溶劑成本低廉，方便獲取，便于運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可反復(fù)使用，在打印過(guò)程中主要起催化作用。隔離層材料采用酸溶性氧化物，酸溶性無(wú)機(jī)鹽，水溶性材料，溶于有機(jī)溶劑的材料中的至少一種與含有聚甲醛的有機(jī)高分子溶劑共同混煉制成?，F(xiàn)在商業(yè)市場(chǎng)上有大量的可溶性支撐材料，包括PVP、HPMC、BVOH。

3.2.2 水溶性載體

開(kāi)發(fā)水溶性載體具有一定的難度。首先許多水溶性聚合物比較脆，這阻止了它們轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)絲。此外，使用傳統(tǒng)添加劑進(jìn)行增塑通常會(huì)抑制熱穩(wěn)定性和黏合性，從而嚴(yán)重限制了它們?cè)?D打印中的使用。通過(guò)不斷嘗試，確定原材料成分配比，達(dá)到耐常溫水而溶于高溫（60 ℃以上）的目的；如果材料不能保證耐常溫水，溶劑則更換為有機(jī)溶劑，之后需要大量實(shí)驗(yàn)，獲得最佳的有機(jī)溶劑，以此獲得滿(mǎn)足性能的材料。這種“開(kāi)箱即用”的樹(shù)脂是由天然碳水化合物與柔軟、堅(jiān)韌和水溶性的聚合物混合而成。新材料是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗銐驁?jiān)硬，可以用作支撐絲。許多純碳水化合物和水溶性聚合物都太脆而無(wú)法形成可用的長(zhǎng)絲。進(jìn)行許多嘗試來(lái)增塑水溶性樹(shù)脂，以便將其轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)絲。添加增塑劑通常會(huì)大大降低基礎(chǔ)樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性，同時(shí)增塑劑會(huì)抑制材料之間的黏附，嚴(yán)重限制它們?cè)?D打印中的使用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，3D打印作為現(xiàn)代工業(yè)新技術(shù)，加快了傳統(tǒng)的加工制造業(yè)的生產(chǎn)效率。當(dāng)然3D打印的發(fā)展要遵循綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展原則，不論是材料選擇、生產(chǎn)制造，還是產(chǎn)品的創(chuàng)新等，始終應(yīng)以高效、低碳、節(jié)能為前提，實(shí)現(xiàn)3D產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)健康發(fā)展。