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深度解析:3D打印技術與高分子材料

2019-01-02

3D打印思想最早可以追溯到19世紀的美國,又被稱為三維打印或快速成型技術,是直接從數字模型通過材料堆積來生產三維實體的技術。據記載,在20世紀80年代3D打印技術就已經開始實際運用,并且被命名為“Rapid Prototyping Manufacturing”。目前,3D打印技術已在產品設計、制造工藝、制造裝備、材料制備、生物醫藥等領域產生全面、深刻的變革,并成為第三次工業革命的重要標志,受到世界各國的極大關注。我國3D打印產業起步較晚,技術水平總體不高,產業化規模相對較小,但發展勢頭較好,在高分子材料中的應用還處于探索階段。

深度解析:3D打印技術與高分子材料

3D打印技術的原理與特點
1. 技術原理
3D打印技術與激光成型技術基本上是一樣的。簡單來說,就是通過采用分層加工、迭加成形,逐層增加材料來生成3D實體。稱它為“打印機”的原因是參照了其技術原理,3D打印機的分層加工過程與噴墨打印機十分相似。首先是運用計算機設計出所需部件的三維模型,然后再根據工藝需求,按照一定規律將該模型離散為一系列有序的單位,通常在Z向將其按照一定的厚度進行離散,把原來的三維CAD模型變成一系列的層片;然后再根據每個層片的輪廓信息,輸入加工參數,然后系統后自動生成數控代碼;最后由成型一系列層片并自動將它們連接起來,最后得到一個三維物理實體。

深度解析:3D打印技術與高分子材料

2. 優點
一、最直接的好處就是節約材料,不用剔除邊角料,提高材料利用率,通過摒棄生產線而降低了成本;
二、能做到很高的精度和復雜程度,除了可以表現出外形曲在線的設計;
三、不再需要傳統的刀具、固定裝置和機床或任何模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的部件;
四、它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型,甚至直接制造部件或模具,從而有效的縮短產品研發周期;
五、3D打印能在數小時內成形.它讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實體的飛躍;
六、它能打印出組裝好的產品,因此它大大降低了組裝成本。它甚至可以挑戰大規模生產方式。
3. 缺點
任何一個產品都應該具有功能性,而如今由于受材料等因素限制,通過3D打印制造出來的產品在實用性上要打一個問號。①強度問題:房子、車子固然能“打印”出來,但是否能抵擋得住風雨,是否能在路上順利跑起來,仍是一個必需面對的問題;②精度問題:由于分層制造存在“臺階效應”,每個層次雖然很薄,但在一定微觀尺度下,仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”,如果需要制造的對象表面是圓弧形,那么就會造成精度上的偏差;③材料的局限性:目前供3D打印機使用的材料非常有限,無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等,能夠應用于3D打印的材料還非常單一,以塑料為主,并且打印機對單一材料也非常挑剔。

3D打印技術在高分子材料中的應用
1. 高分子原材料的種類

作為3D打印的重要環節,材料方面也是起到舉足輕重的作用的,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、聚丙烯和丙烯腈-丁二烯等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多,其中應用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。


2. 常見應用工藝
目前應用較多的3D打印高分子材料技術主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(SLS)等[5]。

光固化立體印刷
光固化3D打?。⊿LA)工作原理與噴墨打印類似,在數字信號的控制下,噴頭工作腔內的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴,在壓力作用下噴頭噴出到指定的位置,然后通過紫外光對光敏樹脂固化,固化后逐層堆積,得到成形部件。成形過程如下:首先根據部件截面的形狀,控制打印噴頭沿X、Y方向運動,在既定截面的相關實體區域打印實體材料,在支撐區域打印支撐材料,并在紫外光的照射下進行固化,然后建造平臺沿Z方向下降一定高度,噴頭接著打印固化下一層,如此逐層打印固化直至工件的完成,最后除去工件中的支撐材料即可得到所需的工件。

光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成,其中支撐材料根據其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂,主要由齊聚物、反應性稀釋劑(活性單體)、光引發劑以及其它助劑組成。國外由于起步較早,并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持,因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。目前國外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國的3DSystems公司,這兩個公司占據了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場。但是這些公司把光敏樹脂作為關鍵技術,成果很少對外公布,并且將這些光敏樹脂與其生產的光固化3D打印機捆綁銷售。

光固化立體印刷制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯(PPF)聚(D,L-丙交酯)(PLA)聚( -己內酯)(PCL)、聚碳酸酯、以及蛋白質多糖等天然高分子. 為了降低液態樹脂原料的黏度,還需要加入小分子的溶劑或稀釋劑,常用的如可參與光聚合反應的富馬酸二乙酯(DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP),以及不參與聚合反應的乳酸乙酯,該技術得到的3D成型材料具有可調控的孔尺寸孔隙率貫通性和孔分布。

熔融沉積成型
熔融沉積成型( FDM) 是采用熱熔噴頭,使得熔融狀態的材料按計算機控制的路徑擠出沉積,并凝固成型,經過逐層沉積凝固,最后除去支撐材料,得到所需的三維產品。FDM技所使用的原料通常為熱縮性高分子,包括丙烯腈-丁二烯、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等.該技特點是成型產品精度高表面質量好成型機結構簡單無環境污染等,但是其缺點是操作溫度較高。

近年來,利用FDM技術制備生物醫用高分子材料也受到越來越多的重視,尤其是以脂肪族聚酯為原料制備生物可降解支架材料,取得了相當多的進展。材料的性質受到壓力梯度熔體流速溫度梯度等影響,聚酯與無機粒子的復合物也能用于熔融沉積成型制備3D支架材料。

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選擇性激光燒結
選擇性激光燒結(SLS)是采用激光束按照計算機指定路徑掃描,使工作臺上的粉末原料熔融粘結固化。當一層掃描完畢,移動工作臺,使固化層表面鋪上新的粉末原料,經過逐層掃描粘結,得到三維材料。與SLA技術通過紫外光逐層引發液態樹脂原料發生聚合或交聯反應不同,SLS技是通過激光產生高溫使粉末原料表面熔融相互粘結來形成三維材料。SLS技術常用的原料包塑料陶瓷金屬粉末等。其優點是加工速度快,無需使用支撐材料,但缺點是成型產品表面較糙,需后續工藝,加工過程中會產生粉塵和有毒氣體,并且持續高溫可能造成高分子材料的降解,及生物活性分子的變形或細胞的凋亡,該技術不能用于制備水凝膠支架。以生物可降解高分子為原料,利用SLS技術,也是制備外部形態和內部結構可控3D醫用高分子材料的有效途徑。對支架性能產生影響的主要參數包括顆粒尺寸激光能量激光掃描速率部分床層溫度等。

深度解析:3D打印技術與高分子材料


3D打印技術高分子材料應用介紹
(1)機械制造:3D打印技術制造飛機部件、自行車、步槍、賽車部件等。

(2)醫療行業:在醫學領域,借助3D打印制作假牙,股骨頭、膝蓋等骨關節技術應用也非常廣,技術越來越成熟。

(3)建筑行業:工程師和設計師們已經接受了用3D打印機打印的建筑模型,這種方法快速、成本低、環保,同時制作精美,完全合乎設計者的要求。同時又能節約大量材料。

(4)汽車制造行業:用3D打印技術為汽車公司制造自動變速箱的殼體。汽車公司會對變速箱進行各種極端狀況下的測試,其中一些部件就是用3D打印方法做的。定型了以后,再開模具,然后按照傳統制造方法規模生產.這樣成本就會大大降低。

精速3D點評:
3D打印技術代表制造業發展新趨勢,它和其他一些數字化生產模式的涌現將推動實現第三次工業革命??梢猿浞謶酶叻肿硬牧系某尚图夹g中,制備復雜的一體化高分子材料器件,高分子醫用行業將成為3D打印技術帶來發展機遇,同時高分子材料將為3D打印技術提供輕質、高強、耐腐蝕的特點。


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