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3D打印材料

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解析:3D打印材料及其应用概述

导读: 文章首先简要介绍了目前3D打印的各类常见材料,然后分别介绍了它们的特点、性能要求及相关应用情况。最后,结合研究的最新进展,对3D打印新材料及其前景进行展望。

3D打印材料3D打印技术重要的物质基础,种类范围主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。文章首先简要介绍了目前3D打印的各类常见材料,然后分别介绍了它们的特点、性能要求及相关应用情况。最后,结合研究的最新进展,对3D打印新材料及其前景进行展望。

解析:3D打印材料及其应用概述

1、3D打印

3D 打印技术,也被称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,是一项起源于20 世纪80 年代集机械、计算机、数控和材料于一体的先进制造技术。该技术的基本原理是根据三维实体零件经切片处理获得的二维截面信息,以点、线或面作为基本单元进行逐层堆积制造,最终获得实体零件或原型。增材制造区别于传统的减材(如切削加工)和等材(如锻造)制造方法,可以实现传统方法无法或很难达到的复杂结构零件的制造,并大幅减少加工工序,缩短加工周期,因此得到了世界各地科研工作者的广泛关注。

3D 打印技术最早应用于各类原型的快速制造,故在早期也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping,RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制,大多使用有机高分子材料,其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展,将该技术应用于终端零件制造的愿望越来越迫切,因此不仅对3D打印装备提出了更高的要求,对3D打印材料各项性能的要求也日益提高。

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3D 打印材料是3D 打印技术重要的物质基础,它的性能在很大程度上决定了成形零件的综合性能。发展至今,其材料种类已经十分丰富,主要种类包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。本文将结合几种3D打印材料研究及应用的最新进展,分别对3D打印用聚合物材料、金属材料和陶瓷材料进行介绍。

2、3D打印用聚合物材料

3D打印用聚合物材料主要包括光敏树脂、热塑性塑料及水凝胶等。纸张、淀粉、糖、巧克力等也可纳入聚合物材料的范畴,部分学者及企业对其进行了3D打印研究,但因篇幅所限文中不进行展开介绍。

光敏树脂是最早应用于3D打印的材料之一,适用于光固化成形(Stereolithography Apparatus,SLA),主要成分是能发生聚合反应的小分子树脂(预聚体、单体),其中添加有光引发剂、阻聚剂、流平剂等助剂,能够在特定的光照(一般为紫外光)下发生聚合反应实现固化。光敏树脂并不算一种新的材料,与其原理类似的光刻胶、光固化涂料、光固化油墨等已经在电子制造、全息影像、胶粘剂、印刷、医疗等领域得到广泛应用。在涂料领域,光固化技术因具有固化速度快、固化性能优异、少污染、节能等优点被认为是一种环境友好的绿色技术。但应用于3D打印的树脂固化厚度(一般>25 μm)明显大于传统涂料的涂布厚度(一般<20 μm),其在配方组成上与传统的光固化涂料、油墨等有所区别。

按照聚合体系划分,可以分为自由基聚合和阳离子聚合,两者的聚合机理和依靠的活性基团各不相同。自由基聚合依靠光敏树脂中的不饱和双键进行聚合反应,而阳离子聚合依靠光敏树脂中的环氧基团进行聚合反应。自由基聚合体系固化速度快,原料成本低,但在空气中存在一定程度的氧阻聚效应,会对固化性能及零件性能产生影响;阳离子聚合体系则无氧阻聚效应,固化收缩小甚至无收缩,但对水分很敏感,且原料成本较高,所以目前3D打印中使用的光敏树脂以自由基聚合体系为主。

解析:3D打印材料及其应用概述

3D打印用光敏树脂主要采用的是自由基聚合的丙烯酸酯体系。商业化的丙烯酸酯有多种类型,需要根据不同的需求对配方进行调整。总体而言,3D 打印用的光敏树脂有以下几点要求:

(1)固化前性能稳定,一般要求可见光照射下不发生固化;

(2)反应速度快,更高的反应速率可以实现高效率成形;

(3)粘度适中,以匹配光固化成形装备的再涂层要求;

(4)固化收缩小,以减少成形时的变形及内应力;

(5)固化后具有足够的机械强度和化学稳定性;

(6)毒性及刺激性小,以减少对环境及人体的伤害。

除此之外,在一些特殊的应用场合还会有一些其他的需求,如应用于铸造的光敏树脂要求低灰分甚至无灰分,再如应用牙科矫形器或植入物制造的树脂要求对人体无毒或可生物降解等性能。目前市面上销售的光敏树脂种类多样,能够满足不同领域的需求。

热塑性聚合物是最常见的3D 打印材料之一,常见的3D打印用热塑性聚合物有丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、聚苯砜(PPSF)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚醚酮(PEEK)等。

根据3D 打印方法的不同,要求材料的形态也有所不同。熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling,FDM)使用的是丝材,激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)则使用的是粉材。由于工业上常用的聚合物原料大多以颗粒为主,制成丝材或粉材都要进行二次加工,提高了3D打印耗材的使用成本,目前也有一些单位开始研发以颗粒为原料的3D打印装备。下面对几种有代表性的材料进行介绍。

PLA 和ABS 是FDM 最常用的耗材,因价格便宜而十分普及。ABS 是常见的工程塑料,具有较好的机械性能,但3D 打印条件要求苛刻,在打印过程中容易产生翘曲变形,且易产生刺激性气味。PLA 是可降解的环保塑料,打印性能较好,是一种较为理想的3D 打印热塑性聚合物,已广泛应用于教育、医疗、建筑、模具设计等行业。此外,PLA 还具有良好的生物相容性,加入羟基磷灰石改性的PLA可用于组织工程支架的制造。

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PA是一种半晶态聚合物,经SLS成形后能得到高致密度且高强度的零件,是SLS 的主要耗材之一。SLS中所使用的PA需具有较高的球形度及粒径均匀性,通常采用低温粉碎法制备得到。通过加入玻璃微珠、粘土、铝粉、碳纤维等无机材料可制备出PA复合粉末,这些无机填料的加入能显著提高某些方面的性能,如强度、耐热性能、导电性等,以满足不同领域的应用需求。

PCL 是一种无毒、低熔点的热塑性塑料,PCL丝材主要作为儿童使用的3D打印笔的耗材,因成形温度较低(80~100°C)而有较高的安全性。值得一提的是,PCL具有优异的生物相容性和降解性,可以作为生物医疗中组织工程支架的材料,通过掺杂纳米羟基磷灰石等材料还能够改善力学性能及生物相容性。此外PCL 材料还具有一定的形状记忆效应,在4D打印方面有一定的潜力。

TPU 是一种具有良好弹性的热塑性聚合物,其硬度范围宽且可调,有一定的耐磨性、耐油性,适用于鞋材、个人消费品、工业零件等的制造。结合3D打印技术可以制造出传统成形工艺难以制造的复杂多孔结构,使得制件拥有独特且可调控的力学性能。采用SLS 工艺打印的多孔结构TPU鞋垫的弹性性能和使用强度已达到市场使用标准。

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