基于高分子材料3D打印成型技术的研究

＊李 宁

（陕西能源职业技术学院 陕西 712000）

引言

3D打印（也称为增材制造）是一种快速成型技术，该技术基于金属模型文件使用粉末状的金属、塑料或其他粘合剂作为基础材料。这是一项技术（即“分层建模技术”）。3D打印是一种“自上而下”的制造过程，可以存储材料，并具有明显的优势，例如降低了制造成本和缩短了制造周期，因此被称为“数字革命的最具标志性制造工具”。近年来，随着行业的发展，3D打印在世界范围内掀起了新的浪潮。同时，3D打印成型技术彻底改变了汽车制造，航空航天，教育和研究以及医疗保健领域的突破。

1.3D打印成型技术的工作原理

3D打印和成型技术是跨学科技术（例如数字技术，新材料技术和光学技术）发展的产物。成熟的3D打印和成型技术使能够快速，高效和廉价地生产产品。此外，用于3D打印成型技术的原材料仅用于生产所需的产品，并且打印的内容更加细腻和轻便。如果印刷品不受生产限制，则可以以最理想的方式实现其功能。结果，3D打印产品比传统的机械零件更轻，性能更好，功能更强大。

2.高分子材料3D打印成型技术

(1)光固化成型技术(SLA)

光固化成型技术也称为三维光固化成型技术，使用特定波长和强度的紫外线激光束来控制扫描仪，并根据预先设计的分层横截面信息跟踪光基成型材料。处理并扫描整个生产线。扫描区域中的成型材料固化以完成零件层。然后控制升降台在Z轴方向上移动以减小层的厚度。然后扫描并固化新层。新的硬化层牢固地粘附到上一层，然后逐层重复此步骤。完成操作。光固化成型技术的整个过程通常包括三个主要步骤：预处理，逐层涂层成型和后处理。通过光固化成型制造的零件的表面质量，表面光洁度和原材料利用率达到100%（环，手机壳等），这对环境友好，不会造成任何问题。缺点是加工设备和原材料相对昂贵，并且在制造过程中额外的支撑结构。

(2)熔融沉积建模(FDM)

熔体沉积建模是美国学者ScottCrump博士于1988年开发的一种无激光加工方法。处理原理是喷嘴在计算机控制下沿x、y和z轴移动。灯丝在喷嘴中被加热到熔融状态，然后从喷嘴中挤出以进行精细打印。当前，熔融沉积建模（FDM）过程中使用的材料主要是丝状聚合物和复合材料。熔融沉积建模（FDM）技术具有高速，安全，低成本和易于操作的优点，可以进行机械加工，高分辨率材料加工，数控和广泛的应用。整个熔体沉积建模过程包括两个主要部分：螺杆挤出过程和熔体沉积建模过程。

(3)激光选择性烧结技术(SLS)

激光选择性烧结技术（SLS）是一种3D打印成型技术，始于1980年代，最初由德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard开发。用这种技术制成的产品可以用各种粉末材料加工和成型。首先，将3D实体零件沿Z轴堆叠，然后将一层粉末材料放在工作台上，根据每个零件的CAD数据进行扫描，然后用高强度CO2激光照射。未被激光扫描的区域中的粉末材料可以重新用作零件和下一个粉末层的支撑辅助结构。烧结第一层时，工作台减少一层，然后将新的粉末材料层放置在印刷层的顶部，然后继续进行扫描和烧结。新的印刷层被烧结并与先前的层逐层结合。以上所有步骤的循环，直到完成3D工件的整个处理为止。最后，在将粉末喷涂并粉碎后，可以获得具有三维结构的烧结零件。

3.3D打印成型技术成型用高分子材料

(1)用于光固化成型的聚合物材料

光敏树脂材料是用于快速光固化原型的材料，并且是主要由低聚物，光引发剂和稀释剂组成的液体光固化树脂。SLA中使用的光固化树脂与普通光固化中使用的预聚物相似，但有所不同。SLA中使用的光源是单色光，与正常的UV光不同。同时，SLA技术更加先进。因此，用于SLA的光固化树脂通常应具有以下特性：①固化前性能稳定，易于储存和运输；②低粘度，良好的流平性和可操作性以及600cP的一般粘度。③降低收缩率，以不影响整个产品的组成和精度，例如内部收缩部分中的应力，翘曲，变形和裂缝。④成型机的固化速度快，可减少固化变形，提高工作效率。商业需求生产；⑤膨胀小，以确保模型的高精度；固化仅在照射点进行；高灵敏度激光可以保证组件的制造精度。高湿强度可防止后固化过程中的变形，溶胀和分层。

(2)纤维聚合物和复合材料的熔融沉积建模模拟

ABS聚合物材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物的首字母缩写。ABS是一种非晶态热塑性聚合物结构材料，具有高强度，出色的韧性以及易于加工和成型的特性，也被称为ABS树脂。在这种情况下，将工作板预热（50-100℃），以平滑模型的底部。近年来，国内外科研人员对ABS材料的变化进行了大量的研究，以提高ABS的性能和范围，更好地满足3D打印成型技术的实际应用需求。FDM技术由93W-Ni-Cu/ABS复合金属丝制成，该金属丝由工业钨，镍，铜和ABS制成，FDM技术用于印刷紧凑且机械性能优越的生坯。坯料的固含量为40%，模量可达到1390MPa，比ABS的模量高55.3%。聚碳酸酯（PC）材料聚碳酸酯是一种高分子量聚合物，在分子链中具有多个碳酸基团，于1950年代后期开发。一种工程热塑性树脂，具有高无色透明性。最早由德国拜耳公司开发，在1990年代实现了工业化生产。

(3)粉末材料选择性烧结工艺

针对SLS工艺，尤其是在汽车制造领域，它是一种3D打印技术，结合了SLA和FDM工艺的优缺点。原理主要是粉末材料的熔化和冷凝过程，然后是固体物体的生产过程。原理图如图1所示。①首先，将粉末材料放入粉末槽中并融化。②接下来，使用光纤激光器扫描液体材料，并在工作台上反复移动它，以使液体逐渐固化，形成计算机预设的形状，最终产生固体。SLS流程的优点是：适用于制造中小型零件。所使用的粉末材料是环境友好的，并且可以使用许多粉末材料，从而节省了成本。SLS处理的结果非常准确，可以快速形成。此外，SLS工艺的另一种可能性是，有许多类型的混合粉末材料可以生产新的工件。SLS工艺的缺点是粉末颗粒会干扰目标物品的指定光滑度，形成许多小孔，并且需要对材料进行后处理。

图1

(4)丝状材料选择性熔覆工艺

就FDM工艺而言，它是一种相对成熟且广泛使用的3D打印技术，其原理主要是将丝状材料熔化并重组以产生固体物体的过程。原理图如图2所示。①将模压成型的材料放入线轮中并使其熔化。②用喷嘴挤压并在工作台上反复移动以逐渐固化液体，形成由计算机设定的形状，最后形成固体。FDM工艺的优势在于，使用的大多数丝状材料都是基于废物的，这不仅可以使用废物，而且还可以保护环境。此外，FDM工艺对设备精度的要求非常低，可以节省大量的制造成本。SLA流程的缺点是它具有较大的打印错误，并且只能打印较大的，不准确的目标物料。这尤其适用于打印大型零件。

图2

4.结束语

综上所述，3D打印成型技术已迅速发展为新技术，聚合物材料的3D打印成型技术也已迅速发展，并已广泛而深入地应用于人们的生活。生活的各个方面都经历了便利和先进技术带来的巨大变化。随着用于聚合物材料的3D打印成型技术的发展，对打印成型材料的性能提出了更高的要求。