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3D打印高分子材料发展现状与趋势探讨

作者:未知

  摘要:第三次科技革命催生了一大批高新科技热门技术,3D打印就是其中的佼佼者。它以计算机中的三维建模为依托,将金属、树脂等材料逐层物理叠加,最终把虚拟的建模变为实物。按照技术原理与材料的不同,3D打印可以粗略地分為三类,即立体光固化、三维印刷成型与激光熔覆成型技术。工艺的蓬勃发展势必会伴随着材料的革新,本文将对目前3D打印用高分子材料的发展现状进行分析,并以此对高分子材料今后在该领域的应用趋势作一展望。
  关键词:3D打印;高分子材料;发展趋势
  一、3D打印高分子材料介绍
  (一)高分子丝材
  FDM是近几年比较权威的快速成型技术之一,而高分子丝材在目前FDM型3D打印机中应用最广,一般使用电加热工具将高分子丝材加热至熔点,再在计算机的智能操控下,覆盖堆叠热熔丝材,最终形成一个理想的工件。
  1、ABS树脂
  ABS树脂是苯乙烯与聚丁二烯橡胶与单体丙烯氢聚合而成的接枝共聚物,它韧性与抗腐蚀性俱佳,在汽车、电器行业都获得了广泛认可。但其遇冷时收缩性大,打印过程中经常出现脱落翘曲或开裂,为了改善ABS的成型质量,邱军等将强度较高的PC树脂与ABS共混后,使ABS的收缩率稳定保持在0.3~0.5。仲伟虹等在ABS中填充了短切玻璃纤维,显著降低了ABS制品的收缩率,获得了更适用于FDM打印工艺的材料。
  2、PLA树脂
  PLA树脂是从植物中提取出的一种清洁材料,可转化为二氧化碳和水,不会对环境造成负担。此外,由于其玻璃化转变温度仅为60℃左右,附着与延展性极佳,所以就算使用简结构的开放式打印机,也不会轻易形变,但韧性与刚性较差也制约着它的应用。
  近年来,国内有不少针对PLA树脂改性的研究。陈卫等采用适当扩链剂,通过熔融共混工艺制备了改性PLA,使其冲击强度较纯PLA材料提高了140%。汤一文等利用无机增韧剂PLA进行增韧研究,不仅可以提高了韧性,还增强了PLA的刚性,实现了刚韧并举的目标。
  3、PC树脂
  PC是一种热塑性工程树脂,它的分子链中含有一定比例的碳酸酯基,收缩率较小不易变形,不仅在抗冲击、阻燃方面令人满意,而且几乎没有任何的毒性。但它的耐水解稳定性不高,颜色单一且长期暴露在紫外线中有发黄的问题,为获得性能与性价比兼美的材料,中国科学院化学研究所将PC和芳族聚酯的共混物牵拉至条状,再以电子束辐射照射,使其性状交联,达到增强稳定性的目的。
  (二)光敏树脂
  光敏树脂通常应用在立体光固化3D打印领域,性能主要由光引发剂、聚合物单体、预聚物、填料和助剂四个部分决定,利用数码光的照射使其发生聚合反应,进而凝固成三维固件。但光敏树脂的力学强度与耐热性皆低于大部分工程树脂,这也使它的使用陷入瓶颈。但相比需要制备成线装或粉状的高分子材料,液态的光敏树脂在共混、分子裁剪方面自由度和灵活性更有优势,容易产生可以应用在特殊领域的高分子材料。杨桂生等就以尼龙微球改性光敏树脂,获得了力学弯曲强度最大为105MPa、收缩率最小为0.7%,稳定性极好的3D打印材料,可在制备结构复杂的精密构件领域充分推广应用。
  (三)高分子粉末
  由于高分子粉末在烧结过程中所需的能量远远低于烧结其他粉末的热能,流程也比较简便,所以高分子粉末在SLS成型技术中的应用可谓相当普遍,但SLS成型技术研究起步时间较晚,工艺实现上还存在一些问题,所以导致高分子粉末在实际应用中亦有限制。为满足SLS成型技术在尺寸精度、力学性能方面的诸多要求,广东银禧科技股份有限公司发明了选择性激光烧结聚丙烯粉末材料的制备及应用方法:首先深冷粉碎得到聚丙烯粉末,然后使用气流筛分机分级收集粒度在15~74μm(800~200目)的粉末,得到的的聚丙烯粉末烧结性能更强,打印过程中力学性能和尺寸精度都能达到一个理想的水平。另外,哈佛大学工程与应用科学院的科学家与Wyss生物工程研究所联手研发了一种环氧基热固性树脂材料,这种粉末经过打印后成型的构件可用于建造轻质建筑。在建筑中应用3D打印技术,这是3D打印在工业承重领域迈出的坚实一步。
  二、3D打印高分子材料的发展趋势展望与结语
  近年来,3D打印技术发展迅猛,成为了新兴的技术蓝海,随着科研水平的提高,我国的3D打印技术也逐渐深入到社会生活的方方面面,但我国关于3D打印高分子材料的研究尚存诸多空白,想要为这些空白填补答案,就必须做到:
  第一,不断推进3D打印材料研发工程从基础的力学承载力、耐热度向更深的细节表现与可加工性方向探索;
  第二,制定3D打印技术的材料行业准入原则与参考标准,让3D打印技术向标准化和体系化纵深发展;
  第三,在高分子材料的研究与应用领域不遗余力地提倡创新思维,积极革新现有技术;
  第四,增加对3D打印材料研发和应用领域的资金投入与学术型人才支持。
  只有这样,才能打破国内3D打印材料研发短缺,长期依赖国外进口的短板,从根源挣脱技术发展的囹圄,确保3D打印技术获得更好的市场发展前景。
  参考文献
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  [2]郭华清,徐冬梅.3D打印用高分子材料的研究进展[J].工程塑料应用,2016,44(11):118-121.
  [3]张云波,乔雯钰,张鑫鑫,马芳,翟莲娜,顾哲明.3D打印用高分子材料的研究与应用进展[J].上海塑料,2015(01):1-5.
  [4]梁晓静,于晓燕.3D打印用高分子材料及其复合材料的研究进展[J].高分子通报,2018(04):27-35.
  (作者单位:中船重工安谱(湖北)仪器有限公司)
论文来源:《科学与技术》 2019年14期
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