聚乳酸材料在桌面型3D打印中的應用研究*

肖蘇華，巫小珍

(廣州城市職業學院機電工程系，廣東廣州510405)

0 引言

3D 打印也稱為增材制造、快速成型，是近二十年信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發展的先進制造技術，被譽為有望產生“第三次工業革命”的代表性技術，是大批量制造模式向個性化制造模式發展的引領技術［1］。3D 打印技術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式，歐美等發達國家和新興經濟國家將其作為戰略性新興產業，紛紛制定發展戰略，投入資金，推進產業化［2］。

材料是3D 打印的基礎，決定了成型工藝和成型件的性能，目前材料的銷售額和設備銷售額幾乎基本等同。國內增材制造開拓者之一盧秉恒院士指出:我國增材制造材料的基礎研究、材料的制備工藝以及產業化方面與國外相比存在較大差距［3］。

熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)是3D 打印常見的加工方式之一，聚合物材料應用于FDM 方式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)樹脂和聚乳酸((Poly(lactic acid)，PLA)兩種材料。ABS 樹脂是目前使用最多的成型材料，具有強度高、韌性好、耐沖擊等優點，但在打印時易出現模型冷卻過程中由熱應力所引起的翹曲變形［4］。另外眾所周知，ABS 是一種難分解材料，易造成環境污染。聚乳酸是一種可降解的生物環保聚合物材料，是FDM 中常用的材料之一。聚乳酸由農業經濟作物比如玉米、馬鈴薯等為原料，經過現代生物技術生產得到乳酸，再經過聚合反應而得到的高分子材料。聚乳酸在自然界和生物體中都可以最終轉化成為二氧化碳和水，是真正環保的新型的生物降解材料。

在增材制造聚合物材料成型工藝方面，業界系統地研究了工藝參數、運動參數、切片參數、掃描速度、掃描沉積方式、溫度調節等因素對ABS 成型件的密度、拉伸強度、彎曲強度等性能以及制件的精度和表面光潔度的影響［5-6］。而聚乳酸的3D 打印成型過程中工藝參數、運動參數、切片參數對材料成型精度的影響機理，尚缺乏系統化研究。

筆者首先研究聚乳酸材料在桌面型3D 打印機中的應用，并給出關鍵工藝參數設置方法;其次，針對聚乳酸材料的缺陷，闡述其常用改性方法并指出下步的研究方法。

1 聚乳酸材料在桌面型3D 打印中的應用

PLA 材料的3D 打印應用，目前主要以桌面型3D打印機為主，桌面打印機配套有工藝設置軟件(如太爾時代的UP)。以太爾時代UP 桌面型3D 打印機為例，闡述聚乳酸材料的3D 打印應用過程和關鍵參數設置。

1.1 打印過程及關鍵參數

3D 打印完整過程包括CAD 三維模型構建、STL文件格式設置、工藝參數設置、3D 打印加工、成型后處理幾個階段。STL 文件格式設置及工藝參數優化設計可參考作者的其他論文［5-6］，本研究不再贅述，僅將3D打印機自帶STL 切片處理軟件過程進行闡述。

第一步，打開UP 軟件，導入STL 文件。

第二步，設置工藝參數，主要包括層厚、填充方式，如圖1所示。圖1 中層厚是影響打印時間的最重要參數，層厚越小(如0.15 mm)，打印時間越長，但成型精度越高。與之相反，層厚越大(如0.45 mm)，打印時間越快，但成型精度較低。該零件層厚設置與加工時間統計如表1所示。

圖1 工藝參數設置

表1 層厚設置與加工時間統計

一般如選用0.25/0.3 mm 層厚進行打印，可以兼顧精度和時間。填充方式是影響支撐材料的成型方式，對于產品精度基本無影響。

如選用0.15 mm 層厚，預計完成時間如圖2所示。

圖2 加工時間計算

打印過程如圖3所示。

圖3 零件正在打印中

最終打印產品如圖4所示。

圖4 打印實物照片

1.2 桌面型3D 打印聚乳酸材料工藝方法參數表

本研究使用太爾時代UP 3D 打印機，通過實驗測試對比，得到的工藝參數表如表2所示。

表2 3 種模式3D 打印參數表

本研究利用表2 揭示的工藝規律方法，順利實施3D 打印加工了LED 軌道燈模型、螺母螺栓、招財貓工藝品、咖啡杯等模型零件，3D 打印產品如圖5所示。

圖5 3D 打印產品

2 聚乳酸材料缺陷及改性

聚乳酸材料在3D 打印(增材制造)領域具有廣闊的應用空間，但聚乳酸材料也存在較明顯的性能缺陷:玻璃化溫度低，脆性大，熱穩定性差，功能性單一，價格較高。尤其是耐熱能低，限制了該類材料的進一步增材制造應用和推廣。

為了提高聚乳酸材料的性能，拓寬其應用領域，國內外學者對聚乳酸進行了大量的改性研究工作［7-11］。改性研究主要從兩個方面進行:一是通過交聯、表面改性或通過共聚引入其他單體改變聚乳酸自身的分子結構來達到性能改善的目的;二是通過共混、填充、納米復合等方法制備各種類型的復合材料從而改善聚乳酸的韌性和強度以及提高熱穩定性等。常見的復合材料有以下幾種類型。

2.1 聚乳酸/無機納米復合體系

利用無機納米材料填充在聚乳酸中得到納米復合聚乳酸材料是一種改善聚乳酸的力學性能、耐熱性能以及克服材料自身的脆性的有效方式。聚乳酸的耐熱性差主要是由于加工成型過程中結晶速率非常慢造成的，而無機納米粒子的添加起到了成核劑的作用，能促進聚合物的成核速率，加速結晶，從而提高聚乳酸的熱穩定性。該方法具有以下幾個優點:①方法簡單，無機納米粒子添加量少，但少量添加的無機納米粒子能使PLA 的性能產生很大的變化。②在PLA 基體中分散的無機納米粒子具有較高的剛性，對PLA 分子的活動具有一定的抑制作用，使PLA 分子鏈在受熱分解時比完全自由的分子鏈具有更高的分解溫度，從而延緩了復合材料熱分解的速率。因此有利于提高PLA 的熱穩定性［12］。聚乳酸/無機納米復合材料可分為兩大類:一類是聚乳酸/層狀硅酸鹽納米復合材料，填料包括蒙脫土、云母、高嶺石、滑石粉等;另一類是聚乳酸無機剛性粒子納米復合材料，填料包括二氧化硅、二氧化鈦、氧化鎂、氧化鋅等［13］。

2.2 聚乳酸/天然植物纖維復合材料

天然植物纖維來源廣泛，價格低廉且可再生。將天然植物纖維與聚乳酸混合制備復合材料能提高聚乳酸的力學性能和耐熱性能，并能保持聚乳酸的生物降解性能。

目前采用的天然植物纖維材料主要有黃麻、大麻、亞麻、劍麻等麻類材料［14］及一些木纖維、椰殼纖維、玉米莖、稻殼、麥殼及甘蔗渣也用來作為增強填料使用［15］，是一種農作物廢棄料的再利用，在提高材料性能的同時，可以有效地降低材料成本，是真正環境友好的材料。

2.3 聚乳酸三元復合體系

利用兩種增強劑的協同作用共同增強聚乳酸的三元復合體系包括:①無機納米材料與植物纖維共同增強聚乳酸體系;②兩種植物纖維混合增強聚乳酸體系［16］;③無機納米離子與聚合物混合增強聚乳酸體系［17］。混合增強體系充分利用兩種增強體的協同作用，充分發揮優勢互補能有些提高聚乳酸的耐熱性能并同時改善其力學性能。

3 結束語

聚乳酸是可完全分解的環保聚合物材料，能廣泛應用于3D 打印領域。針對聚乳酸材料的3D 打印關鍵技術，研究了精度、時間及常用的3 種模式下3D 打印成型工藝規律表，并闡述了3D 打印過程，以所總結的規律為指導，成型了部分幾何難度各異的產品，具有實際意義。針對聚乳酸材料的性能缺陷，本研究闡述了目前常用的材料改性方法，其中復合技術簡單易行，能有效提高聚乳酸力學性能以及改善其耐熱性。

下步筆者將在此基礎上，采用復合技術提高聚乳酸材料的性能，包括力學性能及耐熱性，將聚乳酸材料能更好更廣泛地應用于3D 打印。

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