3D打印技術(shù)與高分子材料

3D打印思想最早可以追溯到19世紀(jì)的美國，又被稱為三維打印或快速成型技術(shù)，是直接從數(shù)字模型通過材料堆積來生產(chǎn)三維實體的技術(shù)。據(jù)記載，在20世紀(jì)80年代3D打印技術(shù)就已經(jīng)開始實際運用，并且被命名為“Rapid Prototyping Manufacturing”。目前，3D打印技術(shù)已在產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝、制造裝備、材料制備、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域產(chǎn)生全面、深刻的變革，并成為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，受到世界各國的極大關(guān)注。我國3D打印產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)水平總體不高，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模相對較小，但發(fā)展勢頭較好，在高分子材料中的應(yīng)用還處于探索階段。

3D打印技術(shù)的原理與特點

1. 技術(shù)原理

3D打印技術(shù)與激光成型技術(shù)基本上是一樣的。簡單來說，就是通過采用分層加工、迭加成形，逐層增加材料來生成3D實體。稱它為“打印機”的原因是參照了其技術(shù)原理，3D打印機的分層加工過程與噴墨打印機十分相似。首先是運用計算機設(shè)計出所需零件的三維模型，然后再根據(jù)工藝需求，按照一定規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單位，通常在Z向?qū)⑵浒凑找欢ǖ暮穸冗M行離散，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；然后再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，然后系統(tǒng)后自動生成數(shù)控代碼；最后由成型一系列層片并自動將它們連接起來，最后得到一個三維物理實體。

2. 優(yōu)點

一、最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；

二、能做到很高的精度和復(fù)雜程度，除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計；

三、不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件；

四、它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；

五、3D打印能在數(shù)小時內(nèi)成形．它讓設(shè)計人員和開發(fā)人員實現(xiàn)了從平面圖到實體的飛躍；

六、它能打印出組裝好的產(chǎn)品，因此它大大降低了組裝成本。它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式。

3. 缺點

任何一個產(chǎn)品都應(yīng)該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品在實用性上要打一個問號。①強度問題：房子、車子固然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風(fēng)雨，是否能在路上順利跑起來，仍是一個必須面對的問題；②精度問題：由于分層制造存在“臺階效應(yīng)”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差；③材料的局限性：目前供3D打印機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等，能夠應(yīng)用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機對單一材料也非常挑剔。

3D打印技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用

1. 高分子原材料的種類

作為3D打印的重要環(huán)節(jié)，材料方面也是起到舉足輕重的作用的，目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應(yīng)用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。

2. 常見應(yīng)用工藝

目前應(yīng)用較多的3D打印高分子材料技術(shù)主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等[5]。

光固化立體印刷

光固化3D打?。⊿LA）工作原理與噴墨打印類似，在數(shù)字信號的控制下，噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對光敏樹脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。成形過程如下：首先根據(jù)零件截面的形狀，控制打印噴頭沿X、Y軸運動，在既定截面的相關(guān)實體區(qū)域打印實體材料，在支撐區(qū)域打印支撐材料，并在紫外光的照射下進行固化，然后打印平臺沿Z軸下降一定高度，噴頭接著打印固化下一層，如此逐層打印固化直至工件的完成，最后除去工件中的支撐材料即可獲得所需的工件。

光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據(jù)其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑（活性單體）、光引發(fā)劑以及其它助劑組成。國外由于起步較早，并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持，因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。目前國外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國的3DSystems公司，這兩個公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場。但是這些公司把光敏樹脂作為核心技術(shù)，成果很少對外公布，并且將這些光敏樹脂與其生產(chǎn)的光固化3D打印機捆綁銷售。

審核編輯 黃昊宇