3D打印及去支撐的技術分析*

陳峻岐

（吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021）

3D打印技術的興起，加快了工業制造領域的轉型升級。同時，對食品、醫學、航天等均帶來了飛躍，改變了傳統制造業的產業格局，突破了當前研究的瓶頸。為了適應打印技術的發展，通過虛擬仿真的方式，將3D打印的主材料、支撐材料、技術進程、零件制造更好地表達，能夠實現綠色一體化打印，打通了研發通道，有利于向清潔、低碳、環保的3D打印金屬不斷邁進。

1 3D打印技術概述

1.1 3D打印

3D打印是以數字模型為基礎，基于堆積技術將物體逐層立體打印并疊加起來的一種新興技術，能夠實現物體的快速成型，簡化生產環節，提高生產效率，3D打印屬于增材制造技術[1]。3D產業能夠極大提升國家工業技術水平，提高工業設計能力，注重對復雜結構的細節處理，有利于生產特殊的物體結構，目前已商業化運行[2]。3D打印改變了傳統制造業的產業格局，將加速數字化技術與傳統產業的有機融合，加快了企業轉型升級，促進了生產力的快速發展[3]。

1.2 3D打印技術的應用

3D打印已成為許多國家的“第三次工業革命”象征，被廣泛應用各個行業。隨著3D打印技術的不斷深入，優勢更加明顯。王菊霞[4]將3D打印技術應用于汽車制造與維修中，能夠加快汽車的研發速度，提高汽車的節能環保效果；范士潔等[5]將3D打印技術用于髖臼骨折輔助手術治療，減少了在手術過程中病人的失血量，縮短了手術時間，實現了髖臼骨折的精準治療；易少凌等[6]研究3D打印在藥物制劑的生產過程中對其質量進行準確控制，為個性化藥物制劑的生產提供了參考依據；林志偉等[7]基于數控機床，在3D打印的基礎上開發用于實驗教學的CAM系統，為理工科3D技術的應用提供了方案；張楠等[8]為了提高遙感相機的主承力，使用碳化硅作為原材料，采用3D打印技術研制主承力結構，結果表明其結構具有良好的穩定性；王強等[9]通過3D打印技術制作食品，將肉糜與培養肉通過3D打印合成制作，為食品的數字化生產提供了創新的發展。

1.3 3D打印發展前景

3D打印的核心技術長期處于國外壟斷地位，限制了我國3D打印技術的發展。盡管如此，在我國政策的支持下，在技術的引領下，3D打印正在快速發展，從原材料的技術更新，到打印的過程方案設計等全面發展。但受技術的封鎖，還遠不及批量化工業生產。未來我國的3D打印技術將不斷攻克技術難關，不斷突破技術壁壘，實現彎道超車，不斷深入到各個行業，特別是在高、精、尖領域發揮技術優勢，從概念快速過渡到功能化發展。

2 3D打印支撐技術

2.1 3D打印材料

2.1.1 塑料材料

3D打印材料中塑料性材料被廣泛采用，如ABS、PC、PLA等塑料性有機材料，屬于固態性質。使得塑料性3D打印機具有一定的耐熱性，無毒無害，同時質量輕，強度較高，具有一定的抗壓能力，耐磨損，使用壽命長，便于運輸。塑料是最早使用的材料，在高端制造領域，塑料性材料很難滿足制造要求，塑料打印材料受到一定的限制[9]。

2.1.2 光敏樹脂材料

光敏樹脂是一種高分子聚合物樹脂，屬于液態性質的3D打印材料。在紫外光的照射下（波長250 nm～400 nm）能夠快速地實現固化特性，從點到線、從線到面實現3D打印效果。光敏樹脂由聚合單體與預聚體組成，具有一定的毒性，通常光敏樹脂對工作環境要求比較嚴格，成熟度高，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料[10]。

2.1.3 金屬材料

金屬3D打印材料不論是強度還是使用壽命，相比于其他材料更具有一定優勢。早在20世紀90年代，德國最先采用金屬3D打印技術，采用激光直接將金屬燒結，奠定了金屬3D打印技術的基礎。隨著技術的不斷完善，逐步發展成多種打印工藝，如粉末床融合、能量積淀、材料擠壓、黏合劑噴射。可以制造多種形狀和多種金屬，傳統工藝難以加工的鈦合金和鎳合金，金屬3D打印機都能夠靈活應用于各種場合。但金屬的粉末處理存在一定的危險性，且成本較高[11]。

2.1.4 橡膠材料

橡膠類材料屬高分子材料，分天然橡膠和合成橡膠。橡膠密度大、彈性好，有一定硬度，抗拉伸性能強，密封性好，具有良好的防滑及耐磨性能。車輛輪胎、密封的墊片、消費類電子產品均采用橡膠類材料。但橡膠的加工精度較粗糙，很難用于精密儀器中，因此通過3D打印橡膠技術可實現橡膠的廣泛應用[12]。但打印過程存在危險，且會散發出刺鼻的氣體，對身體有明顯的傷害。在批量生產橡膠類模具過程中，硅膠材料不論手感還是性能均有一定的競爭優勢。

2.1.5 陶瓷材料

材料和設備限制3D打印技術的快速發展，而陶瓷材料屬于應用困難的材料。陶瓷粉末快速燒結的過程中表面張力較大，快速凝固過程中會產生較大的熱應力，使得產品表面存在許多裂紋，影響產品的質量。且陶瓷易碎、較硬，受產品性質的影響，陶瓷材料在常規的產品生產中較少采用[13]。但陶瓷材料在軍工、航天領域發揮著至關重要的作用，比如陶瓷的導熱性、抗腐蝕性、化學穩定性，在一定程度上突破了許多材料發展的瓶頸。對于3D陶瓷打印技術而言，發展前景廣闊。

2.2 3D打印支撐材料類型

在3D打印的過程中，需要支撐材料輔助技術，在材料表面形成懸空結構，在特定的部位成型。打印結束后，支撐材料能夠通過各種方式溶解，不會對主體材料制品產生不利影響。目前，主流市場廣泛采用以下3種支撐技術用于3D打印中。

1）剝離型的支撐材料，即在打印的同時，將支撐材料打印成結構相對疏松、容易剝離的結構，通過物理的方式將支撐材料剝離。但是這種剝離方式誤差較大，人員操作困難。而且剝離的過程較復雜，精準度不夠，在剝離支撐材料的同時容易對主體材料產生破壞，且存在殘留的風險。

2）為了解決剝離型支撐技術存在的弊端，研究人員逐漸將目光投向可溶解型的支撐材料，這種支撐材料主要是聚乙烯與丙烯酸類共聚物。它是一種水溶性的材料，打印完成后能夠溶解于水中，不會對產品產生影響，也不會對人體產生危險性。但水溶性材料與本體材料黏結性較差，在溶解之前通常會出現溶脹的現場，對打印產品造成潛在損傷[14]。有資料報道：一種HIPS材料，在打印完成后脫離母體，溶于檸檬烯中，打印出來效果提高許多，但同時也增加了3D打印過程的成本。

3）分解型的3D打印支撐材料，即在3D打印完成后，支撐材料浸泡于酸性溶液中，酸性溶液將其酸化后產生氣體，從而達到分解的作用。由于使用了有機酸，會造成打印機等器件出現銹蝕，污染環境，因此這種分解型的方式去支撐材料存在一定的危險。分解型的材料是以聚甲醛塑料作為基礎材料，再添加些復合材料組成[15]。聚甲醛在工程中使用廣泛，因其價格低廉，材料支撐效果好，分解后對產品外觀無影響，受到市場熱捧。

3 3D打印去支撐技術分析

3.1 綠色去支撐方案設計

支撐材料的去除處理步驟很重要，不僅會影響打印材料表面的平整度及光滑度，同時對產品的顏色、質量、強度、立體效果都會產生影響。因此，一方面保證去除支撐材料的同時不會影響產品的結構；另一方面去除的過程中不能引入有毒有害物質，包括引入的物質本身，也包括去除過程中不會因發生化學反應產生有害化學物質，損壞模型的表面并降低生產率。

本方案擬解決的技術難點為在目前國內外研究的基礎上研究，此種材料和產品主體材料在分離前具有良好的黏結性。最后支撐材料溶于有機溶劑后，發生化學反應產生的物質不能對人體產生傷害。這種材料在打印過程中，具有穩定的化學性質及物理性質，擬尋求一種可溶于低廉的有機溶劑或可溶于高溫水的材料作為支撐部分的打印材料，在產品后處理過程中，通過在溶劑中浸泡一定時間，支撐部分自動溶解，而主體產品不參與反應[16]。

構建可以黏附到可溶支撐物上的材料，這對于成功實現3D打印至關重要。支撐件和建筑材料的相鄰層之間的黏合不良會導致脫落和打印故障。新材料經過設計，具有增強的黏合性能，它與長絲驅動3D打印平臺中使用的各種疏水性和親水性材料兼容。

3.2 可溶性支撐材料的成分及配比

3.2.1 有機溶劑載體

有機溶劑的選擇極為關鍵。首先，該有機溶劑成本低廉，方便獲取，便于運輸和長時間存儲，具有良好的化學穩定性，可反復使用，在打印過程中主要起催化作用。隔離層材料采用酸溶性氧化物，酸溶性無機鹽，水溶性材料，溶于有機溶劑的材料中的至少一種與含有聚甲醛的有機高分子溶劑共同混煉制成。現在商業市場上有大量的可溶性支撐材料，包括PVP、HPMC、BVOH。

3.2.2 水溶性載體

開發水溶性載體具有一定的難度。首先許多水溶性聚合物比較脆，這阻止了它們轉化為長絲。此外，使用傳統添加劑進行增塑通常會抑制熱穩定性和黏合性，從而嚴重限制了它們在3D打印中的使用。通過不斷嘗試，確定原材料成分配比，達到耐常溫水而溶于高溫（60 ℃以上）的目的；如果材料不能保證耐常溫水，溶劑則更換為有機溶劑，之后需要大量實驗，獲得最佳的有機溶劑，以此獲得滿足性能的材料。這種“開箱即用”的樹脂是由天然碳水化合物與柔軟、堅韌和水溶性的聚合物混合而成。新材料是獨一無二的，因為它足夠堅硬，可以用作支撐絲。許多純碳水化合物和水溶性聚合物都太脆而無法形成可用的長絲。進行許多嘗試來增塑水溶性樹脂，以便將其轉化為長絲。添加增塑劑通常會大大降低基礎樹脂的熱穩定性，同時增塑劑會抑制材料之間的黏附，嚴重限制它們在3D打印中的使用。

4 結語

綜上所述，3D打印作為現代工業新技術，加快了傳統的加工制造業的生產效率。當然3D打印的發展要遵循綠色、環保、可持續發展原則，不論是材料選擇、生產制造，還是產品的創新等，始終應以高效、低碳、節能為前提，實現3D產業化可持續健康發展。