3D打印技術與高分子材料

3D打印思想最早可以追溯到19世紀的美國，又被稱為三維打印或快速成型技術，是直接從數字模型通過材料堆積來生產三維實體的技術。據記載，在20世紀80年代3D打印技術就已經開始實際運用，并且被命名為“Rapid Prototyping Manufacturing”。目前，3D打印技術已在產品設計、制造工藝、制造裝備、材料制備、生物醫藥等領域產生全面、深刻的變革，并成為第三次工業革命的重要標志，受到世界各國的極大關注。我國3D打印產業起步較晚，技術水平總體不高，產業化規模相對較小，但發展勢頭較好，在高分子材料中的應用還處于探索階段。

3D打印技術的原理與特點

1. 技術原理

3D打印技術與激光成型技術基本上是一樣的。簡單來說，就是通過采用分層加工、迭加成形，逐層增加材料來生成3D實體。稱它為“打印機”的原因是參照了其技術原理，3D打印機的分層加工過程與噴墨打印機十分相似。首先是運用計算機設計出所需零件的三維模型，然后再根據工藝需求，按照一定規律將該模型離散為一系列有序的單位，通常在Z向將其按照一定的厚度進行離散，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；然后再根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，然后系統后自動生成數控代碼；最后由成型一系列層片并自動將它們連接起來，最后得到一個三維物理實體。

2. 優點

一、最直接的好處就是節省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產線而降低了成本；

二、能做到很高的精度和復雜程度，除了可以表現出外形曲線上的設計；

三、不再需要傳統的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件；

四、它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產品研發周期；

五、3D打印能在數小時內成形．它讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實體的飛躍；

六、它能打印出組裝好的產品，因此它大大降低了組裝成本。它甚至可以挑戰大規模生產方式。

3. 缺點

任何一個產品都應該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產品在實用性上要打一個問號。①強度問題：房子、車子固然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風雨，是否能在路上順利跑起來，仍是一個必須面對的問題；②精度問題：由于分層制造存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差；③材料的局限性：目前供3D打印機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等，能夠應用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機對單一材料也非常挑剔。

3D打印技術在高分子材料中的應用

1. 高分子原材料的種類

作為3D打印的重要環節，材料方面也是起到舉足輕重的作用的，目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。

2. 常見應用工藝

目前應用較多的3D打印高分子材料技術主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(SLS)等[5]。

光固化立體印刷

光固化3D打?。⊿LA）工作原理與噴墨打印類似，在數字信號的控制下，噴嘴工作腔內的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對光敏樹脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。成形過程如下：首先根據零件截面的形狀，控制打印噴頭沿X、Y軸運動，在既定截面的相關實體區域打印實體材料，在支撐區域打印支撐材料，并在紫外光的照射下進行固化，然后打印平臺沿Z軸下降一定高度，噴頭接著打印固化下一層，如此逐層打印固化直至工件的完成，最后除去工件中的支撐材料即可獲得所需的工件。

光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應性稀釋劑（活性單體）、光引發劑以及其它助劑組成。國外由于起步較早，并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持，因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。目前國外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國的3DSystems公司，這兩個公司占據了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場。但是這些公司把光敏樹脂作為核心技術，成果很少對外公布，并且將這些光敏樹脂與其生產的光固化3D打印機捆綁銷售。

審核編輯 黃昊宇