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3D打印材料应用和研究现状(一)

2017/7/12    来源:互联网    作者:王延庆  沈竞兴  吴海全      
关键字:3D打印  材料  应用特点  发展方向  
综述了3D打印领域内六种典型3D打印工艺各自所用的3D打印材料,从物理形态上主要包含液态光敏树脂材料、薄材(纸张、塑料膜)、低熔点丝材和粉末材料四种;从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料,金属和合金材料,陶瓷材料等。

    当前,3D打印技术(3D.printing)在世界范围内获得广泛关注与重视。在中国,伴随着当前发展智能制造、创建创新型社会的国家战略实施,尤其是《中国制造2025战略》中多次强调指出要培育3D打印产业发展,并将3D打印技术列为我国未来智能制造的重点技术来大力扶持,3D打印技术在中国也迎来新的发展机遇期。

    3D打印技术其前身即为起源于美国的快速成型(rapidprototyping)技术。其基本原理为:数字分层.物理层积,即首先对被打印对象建立数字模型并进行数字分层,获得每层的、二维的加工路径或轨迹;然后,选择合适的材料及相应的工艺方式,在上述获得的每层、二维数字路径驱动下,逐层打印,并最终累积制造出被打印的对象。3D打印技术突破传统切削加工方式,是一种成长式的加工方式,大大提高了材料利用率,是颠覆传统制造方式的革命性制造技术,国内称之为“增材制造”。3D打印技术具有很高的加工柔性和很快的市场响应速度,在工业造型、包装、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天和影视等领域得到良好的应用。目前,国内外3D打印领域中已有近20种不同的工艺系统,其中应用最典型、最成熟的有六种工艺,分别是立体光刻(StereoLithigraphyApparatus,SLA)、叠层实体制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)、选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)、三维打印与胶粘(ThreeDimensionalPrinting andGluing,3DP)。这六种3D打印工艺虽然原理一致,但由于所用打印材料不尽相同,各自特点和具体应用场合也有所不同。本文在综述六种典型3D打印工艺各自所用打印材料的使用和研究现状的基础上,指出打印材料是目前3D打印领域研究的热点,也是3D打印工艺深入发展和应用的一个瓶颈。

    2 各种3D打印工艺原型材料

    2.1 SLA工艺

    SLA工艺是由CharlesHull于1984年获得美国专利并被3DSystems公司商品化,目前被公认为世界上研究最深入、应用最早的一种3D打印方法。

    目前可用于该工艺的材料主要为感光性的液态树脂,即光敏树脂。该类光敏树脂材料主要包括齐聚物、反应性稀释剂和引发剂。根据引发剂引发机理,又可以将这类光敏树脂材料分为三类:自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。自由基体系是由光引发剂受照射激发产生自由基,引发单体和预聚物聚合交联;阳离子体系是由阳离子光引发剂受辐射产生强质子酸,催化加速聚合,使树脂固化。混杂型体系则混合了上述两种固化原理。

    该类光固化树脂最早采用激光照射而产生固化。西安交通大学为了降低成本于1996年推出了以廉价的紫外灯为光源的SLA工艺系统,同时研发了相应的紫外照射而产生固化的光敏树脂。近年有美国某公司研发并推出了采用蓝色卤素冷光照射而固化的光敏树脂,由于没有温度升高而给口腔带来不适,因此,该类树脂首先被用于人类修补牙齿。另外,冷光固化的光敏树脂用于3D打印中,可以避免由于温度变化而造成的变形问题,因此可以用在打印高精度、高精密的模型中。当前,发展SLA复合材料也是该工艺的一个重要研究方向。将SLA光固化树脂作为载体,通过加入纳米陶瓷粉末短纤维等,可改变材料强度、耐热性能等,改变其用途;或者添加功能性材料,如生物活性物质;在高温下,将SLA烧蚀,制造功能零件等。

    目前用于SLA工艺商品化的光敏树脂材料主要有以下四大系列:

    (1)Vantico公司的SL系列

    Vantico公司的SL系列中的材料呈现乳白色,质感好,强度佳,但韧性小,小而薄的零件要特别注意脆性断裂。表1给出了该系列光固化树脂在SLA50003D打印系统上使用时表现出的各种性能指标。

    表1 SL系列树脂的性能参数

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    (2)3DSystems公司的ACCURA系列

    该系列光敏树脂主要有用于SLAVipersi2系统和SLA7000系统的S110,S120,S130,S140Nd等。S110具有强度高、耐潮性等特点,并在不影响速率下可以成型精确、高质量的部件,适用于熔模铸造;S120抗磨损性较好,具有令人满意的产能及耐潮湿性,在按扣装配塑料复合模应用上是比较理想的原料;S130具有高延展性并带有适中硬度,具备卓越的精细特征制作能力,黏度低容易清洗;S140Nd有着与ABS工程塑料、尼龙66相似的强度性能,耐高温,又有韧性,能被钻孔,攻螺纹和用螺栓连接。3DSystems公司的ACCURA系列光固化原型树脂材料的性能如表2所示。

    表2 ACCURA系列树脂的性能参数

    2

    (3)Ciba公司生产的CibatoolSL系列

    CilatoolSL系列有以下新型号:用于SLA一350系统的CilatoolSL一5510,这种树脂可以达到较高的成型速率和较好的防潮性能,还有较好的成型精度;CilatoolSL.5210则主要用于要求防热、防湿的环境,如水下作业条件。

    (4)杜邦(DSM)公司的SOMOS系列

    DSMSomosProtoTherm14120光敏树脂是SO.MOS系列较新产品,用于SLA成型系统的高速成型,能制作具有高强度、耐高温、防水等功能的零件。用此材料制作的零部件外观呈现为乳白色。与其他耐高温SLA材料不同的是,此材料经过后期高温加热后,拉伸强度明显增大,同时断裂伸率仍然保持良好。这些性能使得此材料能够理想地应用于汽车及航空等领域需要耐高温的重要部件上。

    SOMOS8120也是SOMOS系列重要的产品,其性能类似于聚乙烯和聚丙烯,特别适合于制作功能零件,也有很好的防潮防水性能。表3是DSM公司SOMOS系列其他型号材料的性能。

    除此之外,一直处于陶瓷3D打印技术最前沿的美国Tethon3D公司近日所推出的Porcelite材料,是一种结合了陶瓷材料的光敏树脂,是陶瓷材料与光敏树脂结合的复合材料;因此,它既可以像其他光敏树脂一样,在SLA打印机中通过uV光固化工艺成型,而在3D打印出来之后,又可以像陶坯那样放进窑炉里通过高温煅烧变成100%的瓷器。最重要的是,这样处理之后的成品不仅具有瓷器所特有的表面光泽度,而且还保持着光固化3D打印所赋予的高分辨率细节。

    光敏树脂材料是一种崭新的材料,与一般固化材料比较,具有固化快、无需加热、无需配制等优点,但该类树脂在固化过程中都会发生收缩,通常其体收缩率约为10%,线收缩率约为3%。从分子学角度讲,光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程,其分子结构发生很大变化,因此,固化过程中的收缩是必然的;另外,该类树脂材料虽然符合环保指标,但在储藏和使用过程中都有强烈的刺鼻气味挥发,对工作条件有一定的影响。

    表3 SOMOS系列树脂的性能参数

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责任编辑:张纯子
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