試論高分子3D打印材料和打印工藝

邢珂

摘要：3D打印是近年來新興的一種熱門技術，它可以根據計算機中的數字模型為參照，使用粉末狀的金屬、塑料、砂子等多種打印材料，將計算機中的模型變成實實在在的物品。根據打印工藝的不同，所用3D打印的基本材料也有較大的差異，例如粉末層噴頭3D打印的用材主要為石膏，而光聚合3D打印的用材主要為光硬化樹脂等高分子材料。只有將打印工藝和打印材料配套使用，才能確保最終打印的產品具有良好的性能。

關鍵詞：3D打印；高分子；打印材料；打印工藝

3D打印目前已經在醫學、建筑、汽車等領域得到了應用，與傳統的材料加工方式相比，3D打印具有個性化定制、數字化制造等應用優勢。但是作為一種新興技術，3D打印技術在發展過程中還面臨材料、機器、成本等許多限制因素。文章首先列舉了3D打印常用的一些材料，隨后分別以熱塑性高分子、光敏樹脂為例，就打印工藝中需要注意的事項和技術要點進行了分析。

一、3D打印的常用材料

在不同的技術應用領域，3D打印適用的材料也有很大差異，隨著近年來3D打印技術逐漸成熟，可用的材料將近200種，其中應用比較普遍的有以下幾種。

（一）ABS塑料類

ABS塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體組成的混合物，三種單體可用按照任意比例混合，制成性能不同的高分子樹脂材料。ABS塑料不僅具有較強的硬度和較高的彈性，而且具有耐腐蝕、耐磨損等特性，是現階段3D打印中應用最廣的材料之一。在3D打印時，先將打印噴嘴的溫度調高至150℃200℃之間，使ABS塑料溶解為液態，然后根據計算機控制從噴嘴噴出，遇冷后迅速凝固成型。

（二）PLA塑料類

聚乳酸（PLA）塑料是一種從植物（稻草、麥稈等）中提取淀粉原料，莖稈生物轉化和化學加工后支撐的一種高純度乳酸，具有可再生、無污染等特點。PLA材料具有熱穩定性好、易于加工成型等特點，在3D打印的多個技術應用領域均有使用。與ABS塑料相比，PLA塑料由于原料來源較廣，成本較低，因此在一些低端3D打印機中更加使用。

（三）光敏樹脂

光敏樹脂是一種由齊聚物、光引發劑等物質組合成的聚合物，該種材料具有粘度低、固化速度快、光敏感性高等特點，是高精度3D打印中常用的高分子材料。另外，與上文中所提到的兩種高分子塑料材料相比，光明樹脂在凝固后表面更加刮花，且沒有普通樹脂的刺激性氣味，具有廣闊的應用前景。

二、高分子材料的打印工藝

（一）熱塑性高分子材料的打印工藝

3D打印是將不同材料進行“層層疊加”后形成一種新產品的工藝，因此根據不同的“疊加”類型，可以將打印工藝分成若干種。在熱塑性高分子材料打印中，主要的成型方式包括以下幾種。

（1）熔融沉積成型。其原理是提前將熱塑性聚合物進行拉絲，將絲狀的材料裝入到3D打印機的材料室內。在打印時，先將噴嘴溫度升高，達到熱塑性材料的熔點。然后利用壓力將絲狀材料送入到噴嘴中，材料融化后在壓力作用下從噴嘴噴出，同時按照計算機的指令進行運動，最終將材料逐層堆積形成既定形狀的產品。熔融沉積成型打印工藝的優點在于操作簡便，且對設備要求不高，從成本上來說是目前高分子3D打印中比較低廉的一種工藝。在產品質量方面，該種工藝制作出來的3D產品無論是在細節、尺寸還是穩定性方面，都滿足了基本要求。

（2）選擇性激光燒結。該種工藝可以用熱塑性聚合物粉末或是金屬粉末作為主要的加工材料。其中的工藝技術要點包括：先將熱塑性材料進行粉碎加工，要求粉末的細度符合3D打印精度的標準。然后啟動設備，讓送料筒緩緩提升，在提升過程中，將高分子聚合物粉末均勻的灑在滾筒的表面。當滾筒上升到一定高度后，激光器感應發出激光束，激光束按照計算機控制指令進行運動，由于激光束具有極高的能量，照射區域的粉末會燒結、凝固，形成一定的輪廓。完成第一次燒結后，再重復上述步驟，直到形成3D產品。

（二）光敏樹脂高分子材料的打印工藝

3D打印的許多產品都對精度、分辨率有較高的要求，除了要對工藝流程進行優化外，選擇高性能的材料也是提高打印產品質量的重要因素。光敏樹脂高分子材料雖然價格比較昂貴，但是性能優越，適合一些小體積、高要求的材料制造。

（1）立體平板印刷。首先利用程序對數字模型進行切片處理，設計掃描路徑，從而精確控制激光掃描器和升降臺的運動；而后，利用激光光束通過數控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，令液態光敏樹脂的特定區域固化，從而形成模型的一層截面；隨后控制升降臺下降微小的距離，讓固化層上覆蓋一層新的液態樹脂，并同時進行第二層掃描，此時，第二固化層將牢固地粘結在前一固化層上，以此步驟反復進行，從底部逐層生成物體。

（2）聚合物噴射。成型原理與熔融沉積成型有點類似，不過噴頭噴出的不是熱塑性的絲狀耗材，而是液態的光敏高分子，同時需要一個UV紫外燈作為固化源。當光敏聚合材料被噴射到工作臺上后， UV紫外燈將沿著噴頭工作的方向發射出紫外光對光敏聚合物進行固化。當完成一層的噴射打印和固化后，設備內置的工作臺會精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化，如此循環直到打印完成。當打印成型過程結束后，只需使用水槍就可以十分容易地把這種支撐材料去除，而最后留下的是擁有整潔光滑表面的成型產品。

三、結語

3D打印作為一種具有廣闊發展前景的工藝，在短短的三十多年發展時間里，已經覆蓋了醫學、建筑、機械加工制造等各個領域。高分子材料作為3D打印中應用較廣的材料之一，具有熱塑性好、耐磨損、抗腐蝕、光滑有色澤等諸多優點。在進行3D打印時，也需要結合不同高分子材料的種類、特性，對打印工藝進行優化，提高打印技術，切實保障3D打印產品的質量。

參考文獻：

[1]史玉升，閆春澤，魏青松，等.選擇性激光燒結3D打印用高分子復合材料[J].中國科學：信息科學，2015，45（2）：204211.

[2]陳寧，夏和生，張杰，等.聚合物基微納米功能復合材料3D打印加工的研究[J].高分子通報，2017（10）：4151.

廣東廣州市花都區城區花都區云山大道田美路88號淘淘樂電子商務中心（寶田加油站旁）6樓609 周生18244915147