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深度解析:3D打印技术与高分子材料

3D打印思想最早可以追溯到19世纪的美国,又被称为三维打印或快速成型技术,是直接从数字模型通过材料堆积来生产三维实体的技术。据记载,在20世纪80年代3D打印技术就已经开始实际运用,并且被命名为“Rapid Prototyping Manufacturing”。目前,3D打印技术已在产品设计、制造工艺、制造装备、材料制备、生物医药等领域产生全面、深刻的变革,并成为第三次工业革命的重要标志,受到世界各国的极大关注。我国3D打印产业起步较晚,技术水平总体不高,产业化规模相对较小,但发展势头较好,在高分子材料中的应用还处于探索阶段。

3D打印技术的原理与特点

1. 技术原理

3D打印技术与激光成型技术基本上是一样的。简单来说,就是通过采用分层加工、迭加成形,逐层增加材料来生成3D实体。称它为“打印机”的原因是参照了其技术原理,3D打印机的分层加工过程与喷墨打印机十分相似。首先是运用计算机设计出所需零件的三维模型,然后再根据工艺需求,按照一定规律将该模型离散为一系列有序的单位,通常在Z向将其按照一定的厚度进行离散,把原来的三维CAD模型变成一系列的层片;然后再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,然后系统后自动生成数控代码;最后由成型一系列层片并自动将它们连接起来,最后得到一个三维物理实体。

深度解析:3D打印技术与高分子材料

2. 优点

一、最直接的好处就是节省材料,不用剔除边角料,提高材料利用率,通过摒弃生产线而降低了成本;

二、能做到很高的精度和复杂程度,除了可以表现出外形曲线上的设计;

三、不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件;

四、它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型,甚至直接制造零件或模具,从而有效的缩短产品研发周期;

五、3D打印能在数小时内成形.它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃;

六、它能打印出组装好的产品,因此它大大降低了组装成本。它甚至可以挑战大规模生产方式。

3. 缺点

任何一个产品都应该具有功能性,而如今由于受材料等因素限制,通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。①强度问题:房子、车子固然能“打印”出来,但是否能抵挡得住风雨,是否能在路上顺利跑起来,仍是一个必须面对的问题;②精度问题:由于分层制造存在“台阶效应”,每个层次虽然很薄,但在一定微观尺度下,仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”,如果需要制造的对象表面是圆弧形,那么就会造成精度上的偏差;③材料的局限性:目前供3D打印机使用的材料非常有限,无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等,能够应用于3D打印的材料还非常单一,以塑料为主,并且打印机对单一材料也非常挑剔。

3D打印技术在高分子材料中的应用

1. 高分子原材料的种类

作为3D打印的重要环节,材料方面也是起到举足轻重的作用的,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。在光固化立体印刷中的齐聚物的种类繁多,其中应用较多的主要包括如聚氨酯丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂以及氨基丙烯酸树脂。

2. 常见应用工艺

目前应用较多的3D打印高分子材料技术主要包括光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积成型( FDM)、选择性激光烧结(SLS)等[5]。

光固化立体印刷

光固化3D打印(SLA)工作原理与喷墨打印类似,在数字信号的控制下,喷嘴工作腔内的液体光敏树脂在瞬间形成液滴,在压力作用下喷嘴喷出到指定的位置,然后通过紫外光对光敏树脂固化,固化后逐层堆积,得到成形零件。成形过程如下:首先根据零件截面的形状,控制打印喷头沿X、Y轴运动,在既定截面的相关实体区域打印实体材料,在支撑区域打印支撑材料,并在紫外光的照射下进行固化,然后打印平台沿Z轴下降一定高度,喷头接着打印固化下一层,如此逐层打印固化直至工件的完成,最后除去工件中的支撑材料即可获得所需的工件。

光固化3D打印材料由光固化实体材料与支撑材料组成,其中支撑材料根据其固化方式不同又可分为相变蜡支撑材料和光固化支撑材料。光固化支撑材料通常俗称光敏树脂,主要由齐聚物、反应性稀释剂(活性单体)、光引发剂以及其它助剂组成。国外由于起步较早,并且3D打印机能够为光敏树脂的研究提供实验器材的支持,因而国外在3D打印光敏树脂做的较为成熟。目前国外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美国的3DSystems公司,这两个公司占据了绝大部分3D打印光敏树脂的市场。但是这些公司把光敏树脂作为核心技术,成果很少对外公布,并且将这些光敏树脂与其生产的光固化3D打印机捆绑销售。

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