高分子材料3D打印技术

高分子材料 3D 打印技术

针涛

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摘要：3D打印作为一种新兴的技术实现了材料的快速制造，同时可以对材料的结构更精确快速的设计，这无疑是推动众多领域发展的助力。3D打印与高分子材料的结合为制造技术开辟了新的途径。基于此，本文针对高分子3D打印材料及打印技术进行探讨分析，以供参考。

关键词：高分子材料;3D打印技术;打印材料

引言

根据ASTM标准，3D打印的名称是增材制造。当前，3D打印技术被广泛用于航空航天、医疗保健、文化和教育领域。这项技术的创造和发展，不仅会促进制造技术的创新，还将影响这些领域中的一些概念和思维模式的创新，并最终影响制造业。3D打印材料一直是3D打印领域当前的研究热点和研究难点，而对高分子材料的研究日益成为3D打印技术的深入开发和实际应用的关键要素。核心价值主要体现在:一方面，高分子材料具有种类繁多、化学性质各异、可塑性强等特点，不仅可打印出形状多样性的产品，而且可打印出功能多样性的产品。另一方面，高分子材料具有质量轻、强度高的特点，比如部分的工程塑料，其力学强度堪比金属材料，而其密度却很小。在现实生活中，是打印汽车零件等物品的首选。由于这些特点使得高分子材料在3D打印领域得到了广泛的应用，刚好也是当今3D打印市场所需。

1高分子3D打印技术

1.1喷墨直接成型技术

喷墨直接成型技术很明显是一种基于墨水的技术，该技术依赖于有胶体有机材料制成的墨水丝的沉积从而逐层构建模型。在喷墨成型技术中，在打印墨水中直接溶解成型材料或者将成型材料分散在墨水中。在施加电压后，通过传感器来控制所需要喷射的喷孔喷墨，打印喷头将墨水直接从喷嘴中喷射或者挤压出来在衬底表面沉积形成二维片层，然后通过层层的堆积来形成三维立体结构。喷墨直接成型技术的优势在于可以有效地降低成本、合理的利用材料并且做构建出来的三维模型精度较高。但是该技术受到打印墨水浓度的影响，浓度过高容易堵塞喷孔导致不能正常喷墨从而导致不能快速成型^[1]。

1.2熔融沉积成型技术

基于熔融沉积的3D打印技术最早是由ScottCrump在1989年发明并申请一FDM为核心的专利技术。目前此技术也是受到人们的广泛关注和喜爱，源于其技术成本低而且操作简单，并且FDM技术已应用于医学、航空航天、教学等众多领域。熔融沉积技术主要包括两个部分:螺杆挤出过程和熔融沉积成型过程。FDM打印技术，它将ABS塑料、聚乳酸等热塑性聚合物的丝状材料通过喷头加热，然后在喷孔处施以一定压力将熔融后的材料挤出，与此同时，喷孔通过电脑所设定的轨迹移动，在形成所设定的二维片层后工作台下移一定高度或者喷头上移一定高度再进行下一篇层的涂覆，最终形成所设计的3D打印产品^[2]。

1.3选择性激光烧结

选择性激光烧结(SLS)起源于20世纪80年代，美国C.Ｒ.Dechard首次研制成功的技术。主要运用于金属、陶瓷等材料的3D打印同时也可运用于热塑性聚合物粉末。SLS成型的具体步骤如下:首先使仪器送料桶上移，令滚动铺粉滚筒在工作台上均匀铺上一层粉末材料，然后再引导激光器发射的激光，在激光束的作用下，对计算机所设定的截面轮廓内的粉末进行烧结，将有粘结剂的粉末融化形成一体化的打印层。当第一片层烧结完成后，使工作台下降设定的高度对下一层的烧结，如此循环单层烧结步骤最终形成设定的三维立体产品^[3]。选择性激光烧结的优点在与(1)它无需支撑结构;(2)选材广泛，塑料粉末金属粉末等都可以用于成型材料;(3)材料利用率可接近100%。不足之处(1)与FDM一样，打印精度较低激光辐射接触的表面降解现象严重;(2)需要升温冷却，成型时间长;(3)力学性能较低，烧结过程容易产生内应力发生形变等。

1.4立体光固化成型技术

3D打印的多种方法中，目前使用最为广泛的是立体光固化成型技术(SLA)，该技术首次由3DSystem于1986年开发，同时SLA也是技术最成熟的，发展前景最好的技术。同时与其他技术相比，例如选择性激光烧结、熔融沉积等，光固化技术使用独特的光诱导聚合，并且实现了高分辨率结构的制作。光固化技术的主要特点有:(1)所制件具有极高的精度;(2)具有极高的表面质量;(3)有较高的原料利用率。光固化快速成型的固化原理是源自液体感光树脂，在光化学反应和感光树脂的联合作用下，利用紫外光照，引发活性片段，低聚物和单体之间的交联反应，从而获得固体产品。光固化技术需要提前用CAD设计出所需的三维模型图，之后在计算机控制下的紫外激光光束下，进行分层打印^[3]。光固化成型开始时，首先将第一升降平台的液体树脂设在特定厚度(0.05～0.3mm)，由计算机控制，照射光源对树脂罐顶部进行截面轮廓水平以及垂直扫描，树脂固化的升降平台随后升降一定的高度，使固化树脂层的表面覆盖有一种新的液态树脂，并且用刮板刮去多余树脂后，对其进行水平和垂直扫描。以同样的方式一层一层的固化树脂，直至最终完成成型。最后在液态树脂中取出制好的样品，经过抛光打磨等后处理方式即可获得最后的成品。

2高分子材料3D打印技术的发展趋势

随着高分子材料3D打印技术的快速发展，其已经取缔了诸多传统的打印机和工业制造机器，被国际学术界称为“第三次工业革命”的重要标志之一。当前，在高分子材料3D打印技术领域，虽然我国较西方发达国家还存在着差距，但我国非常重视该领域的发展状况，并且给予了高分子材料3D打印技术极大的关注。同时随着高分子材料的日益丰富，技术层面的不断革新，制作成本将大大降低，高分子材料3D打印技术将为“中国制造”变为“中国创造”提供了最广阔的平台和雄厚的技术实力。未来的高分子3D打印将会以全新的面貌进入千家万户，被广泛的应用于我们的衣、食、住、行中。将来，我们可以在一天之内在家打印一双鞋子，或者将来某一天可以在汽车上安装3D打印机。如果车辆的某一零件坏了，也可以直接打印出来安上而不用去修理店维修了。总体来说，高分子3D打印技术由于其独特的魅力而逐渐融入我们的生活，并且凭借着其独特的优势正在逐步改变我们的物质世界^[5]。

结束语

3D打印目前已经广泛应用于航空航天、生物医疗、光催化等领域。3D打印所具有的数字设计和增材制造特点具有巨大的发展潜力，这也极大地促进了对于3D打印的学术研究和工业生产。随着各种3D打印高分子材料的发展，3D打印同时也能够带来更多的创新型应用。但是作为一种新兴的制造技术，如何能够将这项技术更有效合理的应用仍然有待更加深入的探索。目前的3D打印材料以及打印技术已经有了一定的发展与革新，但是现在的3D打印只是一个良好的开端，3D打印能在未来发挥出更加令人惊叹的作用。

参考文献

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[2]房鑫卿.3D打印技术的发展历程及应用前景[J].轻工科技,2019,35(05):77-78.

[3]王超,袁媛,任蕊,曹晨茜.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.

[4]张罗悦.关于3D打印用高分子材料的研究与应用探讨[J].化工管理,2018(29):138.

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