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三维打印快速成型技术在高分子材料加工中的应用(一)

2018/1/22    来源:互联网    作者:邓亚峰  郭晓丽      
关键字:三维打印快速成型技术  高分子材料  成型方法  制备  
介绍了使用材料对三维(3D)打印快速成型技术(以下简称为3D打印技术)的发展速度和投人工业化生产进程的影响;介绍了高分子材料快速发展对3D打印技术及其产业链快速发展的推动作用;详细介绍了近几年来3D打印技术使用的高分子材料以及3D打印技术在高分子材料加工中的应用,并对3D打印技术的应用前景进行了展望。

0 前言

    3D打印技术又称为增材制造,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过分层加工、迭加成型的方式逐层增加材料生成3D真实物体、制成实物模型,甚至直接制造零件或模具的先进制造技术。3D打印机3D打印的核心设备,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成,是集机械、控制和计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统。3D打印技术起源于21世纪美国的先进制造技术。2005年全球首台彩色打印机问世;2008年首个用于商业化生产的3D生物打印机问世,可以基于人体干细胞制造出人体组织;2010年Urbee展出了3D打印的汽车;2011年首架3D打印飞机被安普顿大学宣布研发成功;2013年使用3D打印生产出了金属枪;3D打印技术在医学领域也得到了广泛的应用。3D打印的快速发展势必会成为制造业的又一次新革命。

    与传统制造技术相比,3D打印技术具有一系列优点,其中包括①可以实现结构优化、节约材料和节省能源;②适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等;③制作精度高,目前市面上大部分3D打印机的精度都可以控制在0.3mm以下;④制作周期短,3D打印技术去除了模具的制作过程,使得生产时间大大缩短;⑤制作材料多样性,金属、石料、高分子材料等均可应用于3D打印技术。

    虽然3D打印技术是先进的生产制造技术,但其发展也受到了一些因素的制约,如①工艺方面。目前3D打印成品的打印效率不能适应大规模生产的需求;②设备方面。昂贵的3D打印机制约了该技术大范围的普及应用;③知识产权方面。3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散,制造业面临的盗版风险大增,现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

    与传统打印机类似,3D打印技术的核心是打印材料。2015年12月18日,在中国3D打印材料理事会成立大会上,中国工程院院士、中国3D打印材料理事会主席周廉表示3D打印产业发展关键在材料,从某种程度上3D打印材料决定着3D打印技术的应用范围甚至发展走向。

1 3D打印技术的类别与使用材料

    3D打印技术分为6种,包括熔炉沉积(FDM)、光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、叠层实体制造(LOM)、3D喷涂黏结(3DPG)、直接金属激光烧结(DMLS)。几乎全部的材料都可供3D打印使用,但受技术或材料性能影响,主要投入使用的打印材料可以分为3类,分别为金属材料、无机非金属材料和高分子材料。表1列出了各类3D打印技术的工作原理与其适用的基本材料。

    表1 3D打印技术及其适用材料

    1

    从表1可知,在适合3D打印的材料中,高分子材料应用范围最广、成型方式较多,3D打印技术在高分子材料加工中的应用前景也最大。

2 制备工艺与配比

    适用于3D打印技术的高分子打印材料主要有高分子丝材、光敏树脂及高分子粉末。因现用的材料应用范围有限,且成本较高,因此对以上3种材料的研究日益增多,主要体现在使用新的制备工艺不断提高材料的热稳定性和降低成本方面。

2.1 高分子丝材

    高分子丝材主要以丝状塑料为主,多应用于FDM加工技术中,其具有较强的力学强度、收缩率较低、熔点在工业能制备的常见温度范围内、无污染等特点其主要包括ABS、聚乳酸(PLA)、PC、聚苯砜(PPSF)、4一环己烷二甲醇酯(PETG)等材料。

2.1.1 ABS树脂

    ABS树脂提取自非可再生的化石燃料资源,降解性能差、收缩率大,成型的零件极易变形,且因为组成成分的原因,在加工过程中会产生异味,零件表面大多会有向上卷曲的现象。但因其在3D快速成型打印过程中表现出较高的稳定性、热塑性、且成型的零件具有较高的强度和韧性,ABS是FDM加工技术中用量最大、最广泛的工程塑料。20世纪80年代美国DOW公司、日本三井东亚公司将其生产推向了新的高度。ABS现有的生产制备技术主要包含连续本体聚合、乳液接枝掺混以及乳液接枝聚合3种方法。

责任编辑:张纯子
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