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解析高分子3D打印材料和打印工藝

來源:南極熊

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:3D打印 高分子材料

    3D打印技術與傳統材料加工技術相比有許多突出的優勢,吸引了國內外工業界、投資界、學術界、新聞媒體和社會公眾的熱切關注。目前制約3D打印技術發展的因素主要有兩個:打印工藝和打印材料。高分子聚合物在3D打印材料中占據主要地位。當前3D打印常用的高分子材料(熱塑性高分子和光敏樹脂)和與之相適應的打印工藝,并對它們的特性和優缺點進行了評述,看一下了這些3D打印材料和工藝的開發面臨的問題和挑戰。

    解析高分子3D打印材料和打印工藝

    3D打印技術與傳統的材料加工技術相比,3D打印技術有許多突出的優勢,具體表現在:

    1)可以實現數字化制造,3D印借助建模軟件將產品結構數字化,然后驅動機器設備加工制造成器件,由于數字化文件可借助網絡進行傳遞,從而可以實現異地分散化制造的生產模式;

    2)3D打印技術可以使三維結構的物體先分解成二維層狀結構,逐層累加形成三維物品,因此,原理上3D打印技術可以制造出任何復雜的結構,從根本上解決了傳統制造受制于模具的缺陷;

    3)3D打印可以利用“從下而上”的堆積方式,對于實現非勻致材料、功能梯度的器件更有優勢;

    4)3D打印技術有利于小規模生產和個性化訂制,屬于腦力密集型行業,對生產場地要求低,環保且低能耗;

    5)3D打印能夠實現“設計即生產”,可以更快捷回應市場需求。

    因此,近年來3D打印技術獲得了迅猛發展,已經在工業造型、機械制造、軍事、建筑、影視、家電輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到廣泛應用,同時吸引了國內外工業界、投資界、學術界、新聞媒體和社會公眾的熱切關注。我國政府部門也開始關注并制訂3D打印技術的發展規劃,如工信部、發改委、財政部于2015年2月印發《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》,對3D打印的發展做出了政策上的推動。可見,3D打印技術必將成為下一個具有廣闊前景的朝陽產業。

    3D打印技術內容涵蓋廣闊,涉及的技術包括CAD建模、3D測量、接口和切片軟件、數控程序、打印工藝、機械設計、3D打印材料等。其中,現階段制約3D打印技術發展的因素主要有兩個:打印工藝(技術方法)和打印材料。同時,打印工藝和打印材料之間存在密不可分的關系,特定的打印工藝只能適合于打印特定的打印材料,而特定的打印材料則需要利用特定的打印工藝才能成功實現3D成型。以塑料為代表的高分子聚合物具有在相對較低溫度下的熱塑性,良好的熱流動性與快速冷卻粘接性,或在一定條件(如光)的引發下快速固化的能力,因此在3D打印領域得到快速的應用和發展。同時,高分子材料的粘結特性允許其能夠與較難以成型的陶瓷、玻璃、纖維、無機粉末、金屬粉末等形成全新的復合材料,從而大大擴展3D打印的應用范圍。因此,高分子材料成為目前3D打印領域基本的和發展最為成熟的打印材料,接下來我們主要介紹和討論了常用高分子3D打印材料及對應的打印技術。

    熱塑性高分子及其主要打印工藝

    3D打印用熱塑性高分子

    熱塑性的高分子聚合物很容易進行擠出、吹塑和注射加工,因此成為3D打印高分子材料中開發最為成熟的類型,這些材料包括多種工程塑料和生物塑料,在打印材料制備時一般以絲狀的耗材出現。工程塑料是目前應用范圍較廣的3D打印材料,這類材料具有良好的機械強度和耐候性,熱穩定性也比較理想,因此,以這些材料打印出的產品能夠用于大多數工業和民用場合,典型的3D打印用工程塑料有丙烯腈-丁二烯-苯乙共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)和聚酰胺(尼龍,PA)等。ABS是最早用于熔融沉積成型(FDM)技術的材料,目前也是FDM打印工藝領域最常用的熱塑性耗材。

    該材料打印溫度為210-260℃,玻璃轉化溫度為105℃,打印時需要底板加熱。ABS具有相當多的優點,如強度較高、韌性較好、耐沖擊、絕緣性能好、抗腐蝕、耐低溫、容易出絲和著色等,其打印產品質量穩定,強度也較為理想。然而,ABS打印時需要加熱,同時這種材料遇冷收縮特性明顯,在溫度場不均勻的情況下,可能會從加熱板上局部脫落,造成翹曲、開裂等質量問題,此外其打印時可能產生強烈的氣味。為了改善ABS打印的成型質量,許多研究者進行了3D打印用ABS耗材的改性工作,往ABS中加入填充材料或對其進行共混改性是提高其打印性能的有效途徑。


    (審核編輯: 智匯小蟹)

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