法国尼姆大学:解析高分子3D打印材料和打印工藝

法国尼姆足球队 www.vtssaj.com.cn 3D打印技术与传统材料加工技术相比有许多突出的优势,吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。目前制约3D打印技术发展的因素主要有两个:打印工艺和打印材料。高分子聚合物在3D打印材料中占据主要地位。当前3D打印常用的高分子材料(热塑性高分子和光敏树脂)和与之相适应的打印工艺,并对它们的特性和优缺点进行了评述,看一下了这些3D打印材料和工艺的开发面临的问题和挑战。

    3D打印技术与传统的材料加工技术相比,3D打印技术有许多突出的优势,具体表现在:

1)可以实现数字化制造,3D印借助建模软件将产品结构数字化,然后驱动机器设备加工制造成器件,由于数字化文件可借助网络进行传递,从而可以实现异地分散化制造的生产模式;

2)3D打印技术可以使三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品,因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构,从根本上解决了传统制造受制于模具的缺陷;

3)3D打印可以利用“从下而上”的堆积方式,对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势;

4)3D打印技术有利于小规模生产和个性化订制,属于脑力密集型行业,对生产场地要求低,环保且低能耗;

5)3D打印能够实现“设计即生产”,可以更快捷回应市场需求。

因此,近年来3D打印技术获得了迅猛发展,已经在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到广泛应用,同时吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。我国政府部门也开始关注并制订3D打印技术的发展规划,如工信部、发改委、财政部于2015年2月印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》,对3D打印的发展做出了政策上的推动。可见,3D打印技术必将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。

3D打印技术内容涵盖广阔,涉及的技术包括CAD建模、3D测量、接口和切片软件、数控程序、打印工艺、机械设计、3D打印材料等。其中,现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个:打印工艺(技术方法)和打印材料。同时,打印工艺和打印材料之间存在密不可分的关系,特定的打印工艺只能适合于打印特定的打印材料,而特定的打印材料则需要利用特定的打印工艺才能成功实现3D成型。以塑料为代表的高分子聚合物具有在相对较低温度下的热塑性,良好的热流动性与快速冷却粘接性,或在一定条件(如光)的引发下快速固化的能力,因此在3D打印领域得到快速的应用和发展。同时,高分子材料的粘结特性允许其能够与较难以成型的陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成全新的复合材料,从而大大扩展3D打印的应用范围。因此,高分子材料成为目前3D打印领域基本的和发展最为成熟的打印材料,接下来我们主要介绍和讨论了常用高分子3D打印材料及对应的打印技术。

1热塑性高分子及其主要打印工艺

1.1 3D打印用热塑性高分子

热塑性的高分子聚合物很容易进行挤出、吹塑和注射加工,因此成为3D打印高分子材料中开发最为成熟的类型,这些材料包括多种工程塑料和生物塑料,在打印材料制备时一般以丝状的耗材出现。工程塑料是目前应用范围较广的3D打印材料,这类材料具有良好的机械强度和耐候性,热稳定性也比较理想,因此,以这些材料打印出的产品能够用于大多数工业和民用场合,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(尼龙,PA)等。ABS是最早用于熔融沉积成型(FDM)技术的材料,目前也是FDM打印工艺领域最常用的热塑性耗材。

该材料打印温度为210-260℃,玻璃转化温度为105℃,打印时需要底板加热。ABS具有相当多的优点,如强度较高、韧性较好、耐冲击、绝缘性能好、抗腐蚀、耐低温、容易出丝和着色等,其打印产品质量稳定,强度也较为理想。然而,ABS打印时需要加热,同时这种材料遇冷收缩特性明显,在温度场不均匀的情况下,可能会从加热板上局部脱落,造成翘曲、开裂等质量问题,此外其打印时可能产生强烈的气味。为了改善ABS打印的成型质量,许多研究者进行了3D打印用ABS耗材的改性工作,往ABS中加入填充材料或对其进行共混改性是提高其打印性能的有效途径。

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