基于高分子材料3D打印成型技術的研究

＊李 寧

（陜西能源職業技術學院 陜西 712000）

引言

3D打印（也稱為增材制造）是一種快速成型技術，該技術基于金屬模型文件使用粉末狀的金屬、塑料或其他粘合劑作為基礎材料。這是一項技術（即“分層建模技術”）。3D打印是一種“自上而下”的制造過程，可以存儲材料，并具有明顯的優勢，例如降低了制造成本和縮短了制造周期，因此被稱為“數字革命的最具標志性制造工具”。近年來，隨著行業的發展，3D打印在世界范圍內掀起了新的浪潮。同時，3D打印成型技術徹底改變了汽車制造，航空航天，教育和研究以及醫療保健領域的突破。

1.3D打印成型技術的工作原理

3D打印和成型技術是跨學科技術（例如數字技術，新材料技術和光學技術）發展的產物。成熟的3D打印和成型技術使能夠快速，高效和廉價地生產產品。此外，用于3D打印成型技術的原材料僅用于生產所需的產品，并且打印的內容更加細膩和輕便。如果印刷品不受生產限制，則可以以最理想的方式實現其功能。結果，3D打印產品比傳統的機械零件更輕，性能更好，功能更強大。

2.高分子材料3D打印成型技術

(1)光固化成型技術(SLA)

光固化成型技術也稱為三維光固化成型技術，使用特定波長和強度的紫外線激光束來控制掃描儀，并根據預先設計的分層橫截面信息跟蹤光基成型材料。處理并掃描整個生產線。掃描區域中的成型材料固化以完成零件層。然后控制升降臺在Z軸方向上移動以減小層的厚度。然后掃描并固化新層。新的硬化層牢固地粘附到上一層，然后逐層重復此步驟。完成操作。光固化成型技術的整個過程通常包括三個主要步驟：預處理，逐層涂層成型和后處理。通過光固化成型制造的零件的表面質量，表面光潔度和原材料利用率達到100%（環，手機殼等），這對環境友好，不會造成任何問題。缺點是加工設備和原材料相對昂貴，并且在制造過程中額外的支撐結構。

(2)熔融沉積建模(FDM)

熔體沉積建模是美國學者ScottCrump博士于1988年開發的一種無激光加工方法。處理原理是噴嘴在計算機控制下沿x、y和z軸移動。燈絲在噴嘴中被加熱到熔融狀態，然后從噴嘴中擠出以進行精細打印。當前，熔融沉積建模（FDM）過程中使用的材料主要是絲狀聚合物和復合材料。熔融沉積建模（FDM）技術具有高速，安全，低成本和易于操作的優點，可以進行機械加工，高分辨率材料加工，數控和廣泛的應用。整個熔體沉積建模過程包括兩個主要部分：螺桿擠出過程和熔體沉積建模過程。

(3)激光選擇性燒結技術(SLS)

激光選擇性燒結技術（SLS）是一種3D打印成型技術，始于1980年代，最初由德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard開發。用這種技術制成的產品可以用各種粉末材料加工和成型。首先，將3D實體零件沿Z軸堆疊，然后將一層粉末材料放在工作臺上，根據每個零件的CAD數據進行掃描，然后用高強度CO2激光照射。未被激光掃描的區域中的粉末材料可以重新用作零件和下一個粉末層的支撐輔助結構。燒結第一層時，工作臺減少一層，然后將新的粉末材料層放置在印刷層的頂部，然后繼續進行掃描和燒結。新的印刷層被燒結并與先前的層逐層結合。以上所有步驟的循環，直到完成3D工件的整個處理為止。最后，在將粉末噴涂并粉碎后，可以獲得具有三維結構的燒結零件。

3.3D打印成型技術成型用高分子材料

(1)用于光固化成型的聚合物材料

光敏樹脂材料是用于快速光固化原型的材料，并且是主要由低聚物，光引發劑和稀釋劑組成的液體光固化樹脂。SLA中使用的光固化樹脂與普通光固化中使用的預聚物相似，但有所不同。SLA中使用的光源是單色光，與正常的UV光不同。同時，SLA技術更加先進。因此，用于SLA的光固化樹脂通常應具有以下特性：①固化前性能穩定，易于儲存和運輸；②低粘度，良好的流平性和可操作性以及600cP的一般粘度。③降低收縮率，以不影響整個產品的組成和精度，例如內部收縮部分中的應力，翹曲，變形和裂縫。④成型機的固化速度快，可減少固化變形，提高工作效率。商業需求生產；⑤膨脹小，以確保模型的高精度；固化僅在照射點進行；高靈敏度激光可以保證組件的制造精度。高濕強度可防止后固化過程中的變形，溶脹和分層。

(2)纖維聚合物和復合材料的熔融沉積建模模擬

ABS聚合物材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物的首字母縮寫。ABS是一種非晶態熱塑性聚合物結構材料，具有高強度，出色的韌性以及易于加工和成型的特性，也被稱為ABS樹脂。在這種情況下，將工作板預熱（50-100℃），以平滑模型的底部。近年來，國內外科研人員對ABS材料的變化進行了大量的研究，以提高ABS的性能和范圍，更好地滿足3D打印成型技術的實際應用需求。FDM技術由93W-Ni-Cu/ABS復合金屬絲制成，該金屬絲由工業鎢，鎳，銅和ABS制成，FDM技術用于印刷緊湊且機械性能優越的生坯。坯料的固含量為40%，模量可達到1390MPa，比ABS的模量高55.3%。聚碳酸酯（PC）材料聚碳酸酯是一種高分子量聚合物，在分子鏈中具有多個碳酸基團，于1950年代后期開發。一種工程熱塑性樹脂，具有高無色透明性。最早由德國拜耳公司開發，在1990年代實現了工業化生產。

(3)粉末材料選擇性燒結工藝

針對SLS工藝，尤其是在汽車制造領域，它是一種3D打印技術，結合了SLA和FDM工藝的優缺點。原理主要是粉末材料的熔化和冷凝過程，然后是固體物體的生產過程。原理圖如圖1所示。①首先，將粉末材料放入粉末槽中并融化。②接下來，使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺上反復移動它，以使液體逐漸固化，形成計算機預設的形狀，最終產生固體。SLS流程的優點是：適用于制造中小型零件。所使用的粉末材料是環境友好的，并且可以使用許多粉末材料，從而節省了成本。SLS處理的結果非常準確，可以快速形成。此外，SLS工藝的另一種可能性是，有許多類型的混合粉末材料可以生產新的工件。SLS工藝的缺點是粉末顆粒會干擾目標物品的指定光滑度，形成許多小孔，并且需要對材料進行后處理。

圖1

(4)絲狀材料選擇性熔覆工藝

就FDM工藝而言，它是一種相對成熟且廣泛使用的3D打印技術，其原理主要是將絲狀材料熔化并重組以產生固體物體的過程。原理圖如圖2所示。①將模壓成型的材料放入線輪中并使其熔化。②用噴嘴擠壓并在工作臺上反復移動以逐漸固化液體，形成由計算機設定的形狀，最后形成固體。FDM工藝的優勢在于，使用的大多數絲狀材料都是基于廢物的，這不僅可以使用廢物，而且還可以保護環境。此外，FDM工藝對設備精度的要求非常低，可以節省大量的制造成本。SLA流程的缺點是它具有較大的打印錯誤，并且只能打印較大的，不準確的目標物料。這尤其適用于打印大型零件。

圖2

4.結束語

綜上所述，3D打印成型技術已迅速發展為新技術，聚合物材料的3D打印成型技術也已迅速發展，并已廣泛而深入地應用于人們的生活。生活的各個方面都經歷了便利和先進技術帶來的巨大變化。隨著用于聚合物材料的3D打印成型技術的發展，對打印成型材料的性能提出了更高的要求。