高分子材料在熔融沉積成形中的應(yīng)用

馮婧，劉艷，陳德根，王宜志，劉霞

（廣東科技學院機電工程系，廣東 東莞 523083）

高分子材料在熔融沉積成形中的應(yīng)用

Application of Ppolymer Materials in fused deposition modeling

馮婧，劉艷，陳德根，王宜志，劉霞

（廣東科技學院機電工程系，廣東 東莞 523083）

高分子材料是目前應(yīng)用最廣泛的熔融沉積（FDM）成形材料，利用FDM工藝可以成形各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子制件。本文敘述了FDM用高分子材料種類，并討論了高分子材料特性對FDM成形的影響。

熔融沉積成形；高分子材料；種類；特性

近年來，隨著3D打印設(shè)備的微型化和桌面化，價格實惠的桌面型3D打印機越來越受到人們的青睞[1]。這類桌面機一般采用熔融沉積成形（FDM）技術(shù)，利用噴頭把基材加熱至熔融溫度，流出后凝固，逐層沉積形成三維工件。FDM主要采用絲狀材料石蠟、金屬、塑料、低熔點合金作為原材料[2]，高分子材料是目前應(yīng)用最廣泛的FDM成形材料。本文首先對FDM用高分子材料的種類進行了討論，然后給出了高分子材料的FDM成形機理，并討論了高分子材料特性對FDM成形的影響。

1 FDM用高分子材料種類

FDM工藝對成形材料的要求是熔融溫度低、黏度低、黏結(jié)性好、收縮率小。目前市場上的桌面級3D打印機，常用絲材主要有丙烯腈—丁二烯—苯乙烯聚合物（ABS）和聚乳酸（PLA）。

1.1 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）

ABS樹脂是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物，是在對聚苯乙烯改性過程中開發(fā)出來的聚合物材料，丙烯腈能使聚合物耐化學腐蝕，且有一定的表面強度，丁二烯使聚合物呈現(xiàn)橡膠狀韌性，苯乙烯使聚合物具有較好的流動性，ABS樹脂是目前通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料[3]。利用ABS樹脂進行熔融沉積成形時，其優(yōu)點是綜合性能較好，耐熱耐寒，化學穩(wěn)定性好，電絕緣性能良好，缺點是熱收縮率高，模型容易變形，工作時會產(chǎn)生刺鼻的有害氣體。目前，利用桌面級3D打印機打印時，打印表面易出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象[4]。

1.2 聚乳酸（PLA）

PLA是使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，是一種生物可降解塑料，使用后能被自然界中微生物完全降解，無毒無害，是公認的環(huán)境友好材料。收縮率低，韌性好強度高，但不耐熱，化學穩(wěn)定性差，燃燒時火焰呈藍色，無煙，氣溫溫和，起絲較長。PLA加工方便，具有較低的熔體強度，打印模型更容易塑形。PLA是晶體，相變時會吸收噴嘴的熱能，因此部分PLA可使噴嘴堵塞的可能性更大。

2 高分子材料熔融沉積成形機理

桌面級 3D 打印機的耗材通常是高分子線材，為了使線材加熱熔融沉積，必須設(shè)計一個傳輸機構(gòu)（擠出機）和一個加熱裝置（噴嘴）。將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，然后利用噴頭底部的微細噴嘴將材料以一定的壓力擠噴出來，同時噴頭沿水平方向通過掃描形式形成制件的截面形狀，而工作臺沿豎直方向移動作層面厚度的位移。這樣擠出的材料既具有一定的流動性，又能保證很好的精度，一層成型完成后，機器工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個造型。

3 高分子材料特性對熔融沉積成形的影響

3.1 力學性能

FDM成形工藝要求高分子材料在驅(qū)動力的作用下，不易發(fā)生斷絲和彎折現(xiàn)象，這就要求高分子材料要具有較好的抗彎、抗壓和抗拉強度，以及具有較好的的柔韌性。

高分子材料是否能從擠出機中順利擠出，是影響FDM成型精度的因素之一，這就需要選擇具有流動性好、黏度低的材料。如果選擇流動性差、黏度高的材料，則會增大送絲壓力，增加噴頭的啟停響應(yīng)時間，影響成型精度。

FDM 成形工藝是分層制造的，每一層片是在上一層的基礎(chǔ)上堆積而成，從而造成層間材料強度最弱，所以黏結(jié)性的好壞決定了材料成型以后的強度。黏結(jié)性過低，則由于成型過程中熱應(yīng)力的影響，會造成層與層之間的開裂。

3.2 物理和化學性能

高分子材料在受熱過程中容易發(fā)生鏈段運動和整個分子鏈運動，其熔融溫度的高低決定著熔融沉積成形的成型精度。熔融溫度低，則材料在較低溫度下就可擠出成型，從而減少材料在擠出前后的溫差，減少熱應(yīng)力，提高成型精度。目前ABS的打印溫度一般控制在240~270 ℃，PLA的打印溫度一般控制在190~ 210 ℃。

高分子材料由于受熱時分子鏈間的纏繞程度降低，分子間結(jié)合力減小，使高分子材料加熱時產(chǎn)生體積和尺寸增大。FDM成型工藝需要材料具有熱脹冷縮小的特性，如果成型材料對溫度太敏感，則會產(chǎn)生零件的翹曲、開裂等缺陷，一般要求其線性收縮率小于1%，這樣可以提高模型或產(chǎn)品的尺寸精度。ABS的收縮率變化最大范圍約為0.3% ~ 0.8%。

4 未來研究趨勢

材料是3D打印發(fā)展的基礎(chǔ)，打印產(chǎn)品的質(zhì)量和特性取決于材料，因而要將材料的研究與FDM成形技術(shù)的研究相結(jié)合，實現(xiàn)材料與打印技術(shù)同步研發(fā)。突破材料對FDM成形技術(shù)的限制，是未來該領(lǐng)域的研究熱點之一。

目前，很多桌面級 3D 打印機只能打印單一塑料模型，擁有雙噴頭或三噴頭的桌面級3D打印機還處于實驗階段。未來，多噴頭打印中途頻繁轉(zhuǎn)換打印噴頭而導(dǎo)致的線材擠出不流暢等問題將會是研究的重點。

[1] 楊永強，葉梓恒，等. 3D打印設(shè)備國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化可行性分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013，（8）：27~32.

[2] 賴周藝 ，朱銘強，郭嶠. 3D打印項目教程[M]. 重慶：重慶大學出版社，2015.

[3] 陳慶，曾軍堂，陳韋坤.3D打印塑料材料技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015，（6）：27~32.

[4] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打印材料[J]，金屬世界，2014，（5）：6~13.

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1009-797X(2015)24-0144-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.058

馮 （1977-），女，碩士研究生，講師，研究方向為工程材料。

2015-10-29