高分子3D打印材料和打印工艺的探讨
来源:用户上传
作者:
摘 要：科学技术的发展，为3D打印技术的发展，奠定了坚实的基础。与传统材料加工技术相比，3D打印技术优势显著，故受到了各个领域的高度重视。现阶段，打印工艺和打印材料是制约这项技术发展的主要因素。故文章首先介绍几种常用的高分子打印材料，然后对打印工艺的发展情况进行探讨，希望为相关行业提供借鉴。
关键词：3D打印材料;打印工艺;高分子材料
中图分类号：TP391.73 文献标志码：A 文章编号：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打印工藝的出现是对传统材料加工技术的颠覆。这种技术被称为增材制造技术，能够将三维数学模型数据作为基础，并通过物理层叠加的方式，完成材料的制造和加工，促使虚拟模型转化为三维实体的技术。其特点和优势十分鲜明，是数字化制造目标达成的重要途径，任何复杂的结构均能利用这项技术加工，这是传统加工制造技术所不具备的优势。因此对此项课题进行研究，其意义十分重大。
1 高分子3D打印材料
在3D打印中，热塑性高分子属于常用的材料，究其原因，主要是这种材料便于挤出、吹塑和注射加工，且应用历史较长，故发展已经趋于成熟，工程塑料以及生物塑料均属于热塑性高分子材料，在实际应用过程中，经常以丝状为主。
工程塑料具有良好的应用效果，与其他材料相比，这种材料在机械强度和耐候性方面优势明显，因此以工程塑料为原材料的打印物品应用范围广泛，现阶段ABS、聚酰胺以及PC等材料属于常见的工程塑料。
1.1 ABS
ABS属于典型的热塑性耗材，最早被用于FDM打印之中，在打印过程中，其温度会恒定在210-260℃的范围内，故具备良好的热稳定性，打印过程中尽量选择底板加热的方式[1]。这种材料的优点较多，可以保证打印产品的质量。但使用这种材料打印产品，必须要提升温度，使材料在高温下融化，并且这种材料的热胀冷缩反应较为显著，如果温度场均匀程度不足，这种材料甚至会脱落，导致打印产品出现一系列的质量缺陷，主要包括弯曲、开裂等等，此外，还会在打印过程中散发难闻的气体，长期在这种环境下工作，人体各项机能会受到损伤。为对其缺陷进行改正，研究人员在经过大量研究后发现，将填充材料加入到这种材料中，可以改善其性能，是解决材料缺陷的有效途径。比如：国外学者将气相生长碳纤维加入其中，使ABS材料的性能大幅度增强。具体表现在拉伸强度和模量上。
1.2 PC树脂
PC树脂与ABS相比，其特性更为优异，究其原因，主要是这种材料在兼具ABS优点的同时，在打印过程中不会散发难闻和有毒气体，其收缩率和阻燃性均好于ABS，在制备高强度3D产品时应用广泛。但是这种材料同样存在缺陷，这种缺陷体现在使用成本和着色性能上。为对其缺陷进行弥补，研究人员进行了大量研究，认为将其与树脂混合应用，可以使其性能得到全面改善。
1.3 PA材料
所谓的PA就是我们平时常见的尼龙，此类材料的拉伸强度和柔韧性能十分良好，商业化价值较高，同时还具有非常高的玻璃转化温度，极限值高达110℃，以PA作为打印材料制造的产品，具有良好弹性、韧性以及强度，可以打印出高质量的衣服。但这种材料与上述两种材料相比，无法保证打印产品的精度[2]。
此外，在科学技术高速发展的今天，3D打印高分子材料不再局限于上述几种，一种全新的热缩性树脂逐渐被3D打印领域所应用，与其他材料相比，这种材料可以自然降解，故不会对环境造成过大的破坏，但在打印产品性能上却远不如上述几种材料的打印产品。
2 热塑性高分子3D打印工艺
2.1 FDM打印工艺
针对上述几种热塑性高分子材料，目前所采用3D打印工艺为FDM，这种打印工艺又名熔融沉积成型。在打印过程中，需要通过加热的方式，将高分子材料的形状转化为丝状。如果高分子材料的形状为粉状，可以应用选择性激光烧结工艺进行产品打印。
FDM工艺最早出现于美国，通过对热塑性聚合物的使用，并将其转化为丝状耗材，在步进电机的挤压作用下，材料会集中于喷头内，在提升温度后，材料会逐渐融化，并被喷头挤出，逐渐成为三维立体模型，最终完成3D产品的打印，在这一过程中，喷头会沿着既定的截面轮廓和填充轨迹运动，如图1所示，这就是FDM工艺的技术原理。 这项3D打印工艺较为简单，无需使用复杂的设备，且技术较为成熟，故在低端3D打印设备中应用广泛，其出现和应用，拉近了3D打印工艺与普通大众之间的距离，自此之后，普通大众对3D打印的了解也逐渐加深，故促进了这项工艺的大众化发展。就打印质量而言，尺寸和存储性能是这项工艺的优势所在，再加上高分子热塑性材料的应用，使产品质量进一步提升。但这种打印工艺也存在缺陷，具体表现为产品表面精度不足，层效应十分明显。并且这种缺陷在使用小宽度或厚度的材料后，依然无法得到改善，产品上的等高线轮廓和建构层厚肉眼可见。最为严重的缺陷是这种工艺在使用支撑材料后，会导致产品对支撑材料的依赖程度上升，如果将支撑材料去除，则会威胁产品本体的质量。比如：突起、抽丝等。而另一种3D打印工艺立体平板印刷，则与之相反，在使用溶剂或加热后，即使将支撑材料移除，产品质量也不会受到影响。值得注意的是，支撑材料属于一次性材料，回收再利用难度较大，随着3D打印产品数量的增加，耗材浪费现象也会逐渐严重。
但考虑到这项技术的应用优势，研究者将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：在打印过程中，如果产品对表面精度要求较高，则改变其成型方向，促使其由水平方向变为垂直方向，如果产品对表面精度要求较低，则以水平方向为主。二次加工打印件同样是可行的方法，但FDM工艺打印成型的产品，在固化后会十分坚硬，如果仅采取机械打磨，无法起到应有的作用，需要抛光剂配和[3]。
2.2 选择性激光烧结打印工艺
这种3D打印工艺的简称为SLS，主要运用的高分子材料包括金属和陶瓷，在打印热塑性材料亦可发挥作用，其所应用的热塑性材料并非是丝线状，而是聚合物粉末。其打印步骤如下所述：（1）打印装置的送料桶会持续上升;（2）铺粉滚筒移动后，促使粉末材料在工作平台上摊铺;（3）由工作人员利用计算机控制激光，使选定区域的热塑性粉末烧结;（4）熔化带有粘结剂的粉末，并在此基础上，促使一体化打印层形成;（5）完成首层烧结后，工作台向下移动，在移动过程中，铺粉滚筒会摊铺粉末材料，然后烧结，通过上述步骤的重复，完成产品的打印。
这种3D打印工艺相较于FDM而言，涉及到温度上升和材料冷却，故打印制品需要经过一定的时间方能成型，并且打印产品质量存在严重的缺陷，具体表现为表面疏松多孔，且内部结构稳定性不强，产品容易在外界因素的影响下变形，故在打印高分子材料时，无法取得良好的效果。但在打印金属和陶瓷等材料时，可以将高分子聚合物作为基础，使其与陶瓷和金属等材料相融合，继而完成复合材料制品的打印，可以说这种工艺的出现，为3D打印工艺的发展，开辟了全新的路径。
此外，伴随着3D打印技术和工艺的不断发展，一种基于光敏树脂的3D打印工艺已经出现，并取得了良好的应用效果。其打印成型的原理接近于FDM，但喷头处所挤压的材料不是丝状热塑性材料，而是液态光敏分子。与FDM相比，这种技术在产品成型后，既可去除支撑材料，且产品表面精度十分良好。但由于打印材料成本高昂，故在当前背景下，无法取代FDM技术的优势地位。
3 结束语
綜上所述，3D打印技术的普及应用，使产品加工成型效率大幅度提升，但3D打印技术的发展却逐渐陷入了瓶颈，具体表现为材料成本高昂，且特定材料需要与特定工艺相关联。故建议研究人员加强研究力度，早日解决3D打印工艺存在的不足。
参考文献：
[1]刘卫兵，钱素娟，刘志东.3D打印用高分子材料及打印成型工艺参数优化研究进展[J].合成树脂及塑料，2020，37（02）：85-89.
[2]王超，袁媛，任蕊，等.高分子3D打印材料和打印工艺探析[J].山东工业技术，2019（10）：55.
[3]曹玉松.高分子3D打印材料和打印工艺研究[J].化工管理，2018（32）：78-79.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15374964.htm
