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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(二)

2018/1/26    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。

2.2 光敏树脂

    适用于3D打印的光敏树脂具有复杂的组成,但工艺流程较为简单,通常通过光引发剂引发聚合反应,并加人活性稀释剂来降低体系黏度,同时加人其他添加剂来提局树脂的性能。其中,光引发剂的作用是在一定波长的光照下引发体系进行聚合,通常根据引发机理可将光引发剂分为自由基光引发剂和阳离子光引发剂。光敏树脂同高分子丝材一样,都具有较小的伸缩率、黏度低、成型后的零件具有较高的力学性能等特点。

    常州强力光电材料有限公司自主研制了成型精度高的光敏树脂。组成结构为丙乙酸树脂和环氧树脂,利用混合引发体系进行引发,不仅价格低廉,而且具有较优的力学性能。其配方设计的基本准则为①根据加工零件要求,合理选择自由基固化体系和阳离子化体系的搭配;②合理选择光引发剂,最佳情况是光引发剂的最大吸收波长与光敏树脂采用的固化光的主要波长相等。其中,常用的光引发剂的种类与特点见文献;③选择恰当的基体低聚物应依照选定的体系;④根据③中选择的基体低聚物,选择与之相适应的活性稀释剂;⑤选择合适的添加剂,例如:颜料、助剂等。

    2014年,Formlabs公司同时推出了Castable和Flexible 2种树脂,且Castable树脂能够用于批量生产珠宝首饰等精致制件,能保证燃烧后没有灰烬或残留。2015年,Formlabs推出了新一款光敏树脂----FormlabsToughResin,并利用3D打印技术生产了能产生连锁反应的鲁布•戈德堡机械装置,验证了该材料的高韧性。

    随着国内对光敏树脂原料的深入研究,正逐渐打破美国对该材料垄断的市场局面。上海交通大学制备了一种可以清除甲醛的光敏树脂。丙烯酸经过环氧化、双乙烯酮酯化合成了除醛分子(AEHB),再结合官能团丙烯酸型单体(TMPTA),制备了新型光敏树脂aMPTA-AEHB)。利用普通的桌面3D打印机打印出的构件除醛率高达84%。

2.3 高分子树脂粉末

    表1指出采用SLS技术制造出的成型产品缺陷较大,对高分子粉末性能要求较高,应该具有结块温度低、收缩率小、内应力小、强度高、流动性好等特点。国内外对于高分子粉末的研究都处于初级阶段,见的有聚苯乙烯巧(PS)、PA、PC、聚丙烯(PP)、蜡粉等。华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室为改善SLS高分子树脂粉末材料的可用种类不多以及制件性能较差的问题,提出添加微/纳米填料方法来制备具有高性能的SLS高分子复合材料。

3 高分子材料成型方法

    高分子材料通过加工成型实现其价值,以模具制造为例,利用3D打印技术可以克服传统的设计加工工艺规程成本高、不能小批量生产的缺点。采用选择性激光烧结SLS技术的3D打印可以由数字建模三维计算机辅助设计(CAD)直接构造模具的外表和内部复杂结构,并大幅减少生产成本、提高工业生产效率。3D打印技术可以验证新制备的高分子材料性能,对成型方法的研究有着重要的意义。现有的成型技术可分为6种,分别为挤出成型、注射成型、吹塑成型、塑料激光成型、半结晶塑料激光成型、激光烧结成型。由于篇幅有限,只介绍应用较为广泛的前3种加工成型方法。

3.1 挤出成型

    挤出成型技术是通过螺杆旋转获得压力,塑化好的塑料被不断地送到模具中,待其通过特定形状的口模时,便得到和口模形状相仿的型坯,在型坯拉出时进行冷却定型,以获得目标制品。挤出成型技术主要过程分为加料、塑化、成型、定型共4个过程,通过点、线、面、层逐级融化堆积而成的复杂三维体。提高原材料配方、挤出设备和加工精度可以提高制品的内外品质。

    挤出成型技术是Stratasys和HP公司的核心技术,Fortus 900mc是Stratasys公司发布的全球领先级别的成型精度。美国BlueFire公司将在SoildWorks环境下设计的高复杂度聚晶金刚石钻头(PDC)模型用挤出成型技术进行实现。面对高复杂度的设计,挤出成型技术仍然可以胜任,且一次成型工艺,提高了钻头的性能。挤出成型技术具有巨大的商业化价值,可以将产品级零部件批量生产。

3.2 注射成型

    注射成型采用与挤出成型类似的原理,将塑料加热至熔点,使其呈熔融状,通过注塑机快速将其注入模具中,经固化后得到目标制品。注射成型技术具有一次成型、尺寸精确的优点。在实际生产过程中,因模具成本高,制模工艺复杂,一般都用于大规模生产。注射成型的应用主要集中到塑料注射成型的模具行业,在制作过程中可以解决型芯类零件结构的冷却问题,且可实现对异型水道型芯的加工。调查显示注射成型技术可以将模具注塑生产周期压缩至少30%。

责任编辑:张纯子
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