聚乳酸材料在桌面型3D打印中的应用研究*

肖苏华，巫小珍

(广州城市职业学院机电工程系，广东广州510405)

0 引言

3D 打印也称为增材制造、快速成型，是近二十年信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术［1］。3D 打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，欧美等发达国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业，纷纷制定发展战略，投入资金，推进产业化［2］。

材料是3D 打印的基础，决定了成型工艺和成型件的性能，目前材料的销售额和设备销售额几乎基本等同。国内增材制造开拓者之一卢秉恒院士指出:我国增材制造材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在较大差距［3］。

熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)是3D 打印常见的加工方式之一，聚合物材料应用于FDM 方式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)树脂和聚乳酸((Poly(lactic acid)，PLA)两种材料。ABS 树脂是目前使用最多的成型材料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，但在打印时易出现模型冷却过程中由热应力所引起的翘曲变形［4］。另外众所周知，ABS 是一种难分解材料，易造成环境污染。聚乳酸是一种可降解的生物环保聚合物材料，是FDM 中常用的材料之一。聚乳酸由农业经济作物比如玉米、马铃薯等为原料，经过现代生物技术生产得到乳酸，再经过聚合反应而得到的高分子材料。聚乳酸在自然界和生物体中都可以最终转化成为二氧化碳和水，是真正环保的新型的生物降解材料。

在增材制造聚合物材料成型工艺方面，业界系统地研究了工艺参数、运动参数、切片参数、扫描速度、扫描沉积方式、温度调节等因素对ABS 成型件的密度、拉伸强度、弯曲强度等性能以及制件的精度和表面光洁度的影响［5-6］。而聚乳酸的3D 打印成型过程中工艺参数、运动参数、切片参数对材料成型精度的影响机理，尚缺乏系统化研究。

笔者首先研究聚乳酸材料在桌面型3D 打印机中的应用，并给出关键工艺参数设置方法;其次，针对聚乳酸材料的缺陷，阐述其常用改性方法并指出下步的研究方法。

1 聚乳酸材料在桌面型3D 打印中的应用

PLA 材料的3D 打印应用，目前主要以桌面型3D打印机为主，桌面打印机配套有工艺设置软件(如太尔时代的UP)。以太尔时代UP 桌面型3D 打印机为例，阐述聚乳酸材料的3D 打印应用过程和关键参数设置。

1.1 打印过程及关键参数

3D 打印完整过程包括CAD 三维模型构建、STL文件格式设置、工艺参数设置、3D 打印加工、成型后处理几个阶段。STL 文件格式设置及工艺参数优化设计可参考作者的其他论文［5-6］，本研究不再赘述，仅将3D打印机自带STL 切片处理软件过程进行阐述。

第一步，打开UP 软件，导入STL 文件。

第二步，设置工艺参数，主要包括层厚、填充方式，如图1所示。图1 中层厚是影响打印时间的最重要参数，层厚越小(如0.15 mm)，打印时间越长，但成型精度越高。与之相反，层厚越大(如0.45 mm)，打印时间越快，但成型精度较低。该零件层厚设置与加工时间统计如表1所示。

图1 工艺参数设置

表1 层厚设置与加工时间统计

一般如选用0.25/0.3 mm 层厚进行打印，可以兼顾精度和时间。填充方式是影响支撑材料的成型方式，对于产品精度基本无影响。

如选用0.15 mm 层厚，预计完成时间如图2所示。

图2 加工时间计算

打印过程如图3所示。

图3 零件正在打印中

最终打印产品如图4所示。

图4 打印实物照片

1.2 桌面型3D 打印聚乳酸材料工艺方法参数表

本研究使用太尔时代UP 3D 打印机，通过实验测试对比，得到的工艺参数表如表2所示。

表2 3 种模式3D 打印参数表

本研究利用表2 揭示的工艺规律方法，顺利实施3D 打印加工了LED 轨道灯模型、螺母螺栓、招财猫工艺品、咖啡杯等模型零件，3D 打印产品如图5所示。

图5 3D 打印产品

2 聚乳酸材料缺陷及改性

聚乳酸材料在3D 打印(增材制造)领域具有广阔的应用空间，但聚乳酸材料也存在较明显的性能缺陷:玻璃化温度低，脆性大，热稳定性差，功能性单一，价格较高。尤其是耐热能低，限制了该类材料的进一步增材制造应用和推广。

为了提高聚乳酸材料的性能，拓宽其应用领域，国内外学者对聚乳酸进行了大量的改性研究工作［7-11］。改性研究主要从两个方面进行:一是通过交联、表面改性或通过共聚引入其他单体改变聚乳酸自身的分子结构来达到性能改善的目的;二是通过共混、填充、纳米复合等方法制备各种类型的复合材料从而改善聚乳酸的韧性和强度以及提高热稳定性等。常见的复合材料有以下几种类型。

2.1 聚乳酸/无机纳米复合体系

利用无机纳米材料填充在聚乳酸中得到纳米复合聚乳酸材料是一种改善聚乳酸的力学性能、耐热性能以及克服材料自身的脆性的有效方式。聚乳酸的耐热性差主要是由于加工成型过程中结晶速率非常慢造成的，而无机纳米粒子的添加起到了成核剂的作用，能促进聚合物的成核速率，加速结晶，从而提高聚乳酸的热稳定性。该方法具有以下几个优点:①方法简单，无机纳米粒子添加量少，但少量添加的无机纳米粒子能使PLA 的性能产生很大的变化。②在PLA 基体中分散的无机纳米粒子具有较高的刚性，对PLA 分子的活动具有一定的抑制作用，使PLA 分子链在受热分解时比完全自由的分子链具有更高的分解温度，从而延缓了复合材料热分解的速率。因此有利于提高PLA 的热稳定性［12］。聚乳酸/无机纳米复合材料可分为两大类:一类是聚乳酸/层状硅酸盐纳米复合材料，填料包括蒙脱土、云母、高岭石、滑石粉等;另一类是聚乳酸无机刚性粒子纳米复合材料，填料包括二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化锌等［13］。

2.2 聚乳酸/天然植物纤维复合材料

天然植物纤维来源广泛，价格低廉且可再生。将天然植物纤维与聚乳酸混合制备复合材料能提高聚乳酸的力学性能和耐热性能，并能保持聚乳酸的生物降解性能。

目前采用的天然植物纤维材料主要有黄麻、大麻、亚麻、剑麻等麻类材料［14］及一些木纤维、椰壳纤维、玉米茎、稻壳、麦壳及甘蔗渣也用来作为增强填料使用［15］，是一种农作物废弃料的再利用，在提高材料性能的同时，可以有效地降低材料成本，是真正环境友好的材料。

2.3 聚乳酸三元复合体系

利用两种增强剂的协同作用共同增强聚乳酸的三元复合体系包括:①无机纳米材料与植物纤维共同增强聚乳酸体系;②两种植物纤维混合增强聚乳酸体系［16］;③无机纳米离子与聚合物混合增强聚乳酸体系［17］。混合增强体系充分利用两种增强体的协同作用，充分发挥优势互补能有些提高聚乳酸的耐热性能并同时改善其力学性能。

3 结束语

聚乳酸是可完全分解的环保聚合物材料，能广泛应用于3D 打印领域。针对聚乳酸材料的3D 打印关键技术，研究了精度、时间及常用的3 种模式下3D 打印成型工艺规律表，并阐述了3D 打印过程，以所总结的规律为指导，成型了部分几何难度各异的产品，具有实际意义。针对聚乳酸材料的性能缺陷，本研究阐述了目前常用的材料改性方法，其中复合技术简单易行，能有效提高聚乳酸力学性能以及改善其耐热性。

下步笔者将在此基础上，采用复合技术提高聚乳酸材料的性能，包括力学性能及耐热性，将聚乳酸材料能更好更广泛地应用于3D 打印。

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