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高分子3D打印材料和打印工艺探析

作者:未知

  摘 要:3D打印技术即增材制造,通过三维数学模型数据的支持与物理层叠加,将材料转换为三维实体。目前这一模式相比于传统材料加工,在技术层面具有显著优势,也得到了社会的广泛关注与认可。当前影响3D打印技术的主要因素包括材料与打印工艺,因此本文也将围绕高分子3D打印技术和打印工艺技术进行评测,从技术层面分析在未来可能面临的技术要求。
  关键词:高分子;3D打印技术;打印工艺
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.049
  0 引言
  3D打印技术的优势主要表现在三个方面,一是可以直接通过建模软件实现数字化结构设计,并通过机器设备加工成实际的器件;二是可以保障三维结构的物体转换为二维层状结构,克服传统制造的模具缺陷问题;三是实践材料与功能梯度的合理利用。近年来3D打印技术在不同行业领域得到广泛利用,在国家政策上得到了技术支持,是社会发展的朝阳产业之一。
  1 3D打印技术特征
  我国政府部门在2015年印发了《国家增材制造产业发展推进计划》,发展至今其技术内容涵盖广泛,包含数控、切口与切片软件、打印材料等。目前在打印工艺和打印材料之间存在着密切联系,某些特殊的3D打印技术也只能用于特定的打印材料规划当中,最终实现3D成形。另外,3D打印技术的范围随着社会不断发展得到了扩展,以无机物、金属粉末、玻璃为主的复合材料开始成为3D打印材料。本文将以热塑性高分子材料作为主要研究对象,从打印工艺方面展开分析。
  2 热塑性高分子3D材料与打印工艺
  2.1 打印材料
  (1)ABS材料。打印材料可以便于加工,其优秀的吹塑功能成为当前材料开发过程中最容易成熟的类型。材料内容包括工程塑料、生物塑料等,并且具有合理的机械强度与热稳定性,在一些大型的工业和民用场合都得到了有效利用。例如丙烯腈—丁二烯ABS材料就是典型的技术材料,打印温度可以超过210℃,玻璃转化温度为105℃,因此具有良好的强度与韧性,另外在腐蚀条件与低温条件下同样可以保持合理的性能强度。但该材料具有一定的缺陷,打印过程中如果温度场不均匀会导致开裂,且具有刺激性气味。所以在技术条件的改进方面,当前往往在ABS材料之内加入填充物或改性,获取不同类型的3D打印耗材。
  (2)PCL材料与PLA材料。PCL材料具有显著的形状记忆特征,熔点较低,生物相容性出众,目前其打印产品在医疗领域发挥了重要的作用,如体内心脏支架等。为了提升设备的强度,我们会对其进行改性处理,在提升抗冲击强度的同时转变其耐蠕变性能[1]。
  而PLA材料也是3D打印的主要材料,其打印温度相比于ABS材料要低,只有200℃左右,且可以在70℃以下的平板上成形。然而其玻璃转化温度更低,在熔化后的延展性较好,也不会产生刺激性气味,可以获取相对较大的零件。但相比于ABS材料,该材料同样具有一定的局限性,主要表现在抗冲击强度与力学性能的差距方面。所以行业内的技术研究人员也旨在通过改性方案来解决这一缺陷,例如有研究制造了改性聚乳酸材料,让PLA材料的尺寸更加稳定,抗冲击与断裂强度明显提高。
  (3)PETG材料。PETG材料是一种非晶型共聚酯,其技术优势在于强度出色,韧性极高,但与此同时具有较低的收缩率,在目前的某些高技术要求打印零件中扮演了重要角色。另外,其环保无毒的特点也使得其可以与其它工程材料混合使用,获取高分子合金材料。
  2.2 打印工艺分析
  (1)熔融沉积成型。熔融沉积最早出现于1988年,它不使用激光器进行加工,直接将热熔性丝状材料通过3D打印来进行成形,其核心技术原理与FFF熔丝制造类似。其温度高于固话温度,但成型部分的温度却低于固化温度。具体打印时首先利用CAD软件构建立体模型图,然后将模型图输入至FDM装置当中,通过计算机控制加热半液体材料后,热塑性材料通过积压形成轮廓,在材料堆积凝固后者得到用于3D打印实体,并将支撑材料取出后获得最终的零件。目前考虑到这一项技术在市场中的突出地位,也出现了各类技术措施来改善材料的表面精度,例如将不重要的表面以水平方向成型[2]。总体来看,该技术的设备价格较低,且操作技术难度较小,可以广泛作为低端入门级别的3D打印设备,且可以长期稳定地进行存储。
  (2)激光烧结。激光烧结是金属材料、陶瓷材料3D打印过程中的主要技术,同时也可以用于热塑性的聚合物。一般来说所铺设的粉末材料通过激光器发出激光束后,可以在计算机控制下直接选定区域内的粉末进行烧结,这些具有粘接剂的粉末熔化后则形成了具体的打印层。第一层烧结完成后工作台会随之下降,逐层展开烧结,最终得到三维打印产品。
  3 3D打印材料与打印工艺的发展趋势
  目前3D打印技术的发展速度较快,新的高分子打印材料也相继出现,但现有的行业领域内仍然面临了某些技术问题。
  首先是高分子3D打印材料的成本问题,相比于传统制造技术来说需要耗费额外的成本;此外是当前的技术开发仍然处于探索阶段,尤其是质量测试程序工作上位出台相关的规范性标准要求;最后是材料需要配合特定的打印工艺,但高分子材料的研究工作往往会基于材料本身的力学性能决定,材料的可加工性会受到热稳定性的影响,这些都是后续研究中需要考虑的问题。
  4 结语
  高分子3D打印技术在未来必然进入标准化和体系化的发展环节当中,针对现有材料的技术改进与新材料的研究也将朝着产业化规模发展。我们从研究中可以了解到3D打印产品与技术的优势所在,也证明了其在未来行業领域具有足够的地位,必然成为行业主流研究工作,在质量控制等多个方面实现技术革新,满足不同领域的需求。
  参考文献:
  [1]毛宏理,顾忠伟.生物3D打印高分子材料发展现状与趋势[J].中国材料进展,2019(12):949-969.
  [2]徐常有,谭晶,杨卫民,焦志伟.基于FDM螺杆式3D打印陶瓷基复合材料成型工艺参数的研究[J].塑料科技,2018,46(12):15-18.
  作者简介:王超(1990-),男,陕西户县人,本科,助理工程师,研究方向:化学工艺。
论文来源:《山东工业技术》 2019年10期
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