高分子3D打印材料和打印工艺探析

    王超 袁媛 任蕊

    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。