3D打印及去支撑的技术分析*

陈峻岐

（吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021）

3D打印技术的兴起，加快了工业制造领域的转型升级。同时，对食品、医学、航天等均带来了飞跃，改变了传统制造业的产业格局，突破了当前研究的瓶颈。为了适应打印技术的发展，通过虚拟仿真的方式，将3D打印的主材料、支撑材料、技术进程、零件制造更好地表达，能够实现绿色一体化打印，打通了研发通道，有利于向清洁、低碳、环保的3D打印金属不断迈进。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印

3D打印是以数字模型为基础，基于堆积技术将物体逐层立体打印并叠加起来的一种新兴技术，能够实现物体的快速成型，简化生产环节，提高生产效率，3D打印属于增材制造技术[1]。3D产业能够极大提升国家工业技术水平，提高工业设计能力，注重对复杂结构的细节处理，有利于生产特殊的物体结构，目前已商业化运行[2]。3D打印改变了传统制造业的产业格局，将加速数字化技术与传统产业的有机融合，加快了企业转型升级，促进了生产力的快速发展[3]。

1.2 3D打印技术的应用

3D打印已成为许多国家的“第三次工业革命”象征，被广泛应用各个行业。随着3D打印技术的不断深入，优势更加明显。王菊霞[4]将3D打印技术应用于汽车制造与维修中，能够加快汽车的研发速度，提高汽车的节能环保效果；范士洁等[5]将3D打印技术用于髋臼骨折辅助手术治疗，减少了在手术过程中病人的失血量，缩短了手术时间，实现了髋臼骨折的精准治疗；易少凌等[6]研究3D打印在药物制剂的生产过程中对其质量进行准确控制，为个性化药物制剂的生产提供了参考依据；林志伟等[7]基于数控机床，在3D打印的基础上开发用于实验教学的CAM系统，为理工科3D技术的应用提供了方案；张楠等[8]为了提高遥感相机的主承力，使用碳化硅作为原材料，采用3D打印技术研制主承力结构，结果表明其结构具有良好的稳定性；王强等[9]通过3D打印技术制作食品，将肉糜与培养肉通过3D打印合成制作，为食品的数字化生产提供了创新的发展。

1.3 3D打印发展前景

3D打印的核心技术长期处于国外垄断地位，限制了我国3D打印技术的发展。尽管如此，在我国政策的支持下，在技术的引领下，3D打印正在快速发展，从原材料的技术更新，到打印的过程方案设计等全面发展。但受技术的封锁，还远不及批量化工业生产。未来我国的3D打印技术将不断攻克技术难关，不断突破技术壁垒，实现弯道超车，不断深入到各个行业，特别是在高、精、尖领域发挥技术优势，从概念快速过渡到功能化发展。

2 3D打印支撑技术

2.1 3D打印材料

2.1.1 塑料材料

3D打印材料中塑料性材料被广泛采用，如ABS、PC、PLA等塑料性有机材料，属于固态性质。使得塑料性3D打印机具有一定的耐热性，无毒无害，同时质量轻，强度较高，具有一定的抗压能力，耐磨损，使用寿命长，便于运输。塑料是最早使用的材料，在高端制造领域，塑料性材料很难满足制造要求，塑料打印材料受到一定的限制[9]。

2.1.2 光敏树脂材料

光敏树脂是一种高分子聚合物树脂，属于液态性质的3D打印材料。在紫外光的照射下（波长250 nm～400 nm）能够快速地实现固化特性，从点到线、从线到面实现3D打印效果。光敏树脂由聚合单体与预聚体组成，具有一定的毒性，通常光敏树脂对工作环境要求比较严格，成熟度高，可用于制作高强度、耐高温、防水材料[10]。

2.1.3 金属材料

金属3D打印材料不论是强度还是使用寿命，相比于其他材料更具有一定优势。早在20世纪90年代，德国最先采用金属3D打印技术，采用激光直接将金属烧结，奠定了金属3D打印技术的基础。随着技术的不断完善，逐步发展成多种打印工艺，如粉末床融合、能量积淀、材料挤压、黏合剂喷射。可以制造多种形状和多种金属，传统工艺难以加工的钛合金和镍合金，金属3D打印机都能够灵活应用于各种场合。但金属的粉末处理存在一定的危险性，且成本较高[11]。

2.1.4 橡胶材料

橡胶类材料属高分子材料，分天然橡胶和合成橡胶。橡胶密度大、弹性好，有一定硬度，抗拉伸性能强，密封性好，具有良好的防滑及耐磨性能。车辆轮胎、密封的垫片、消费类电子产品均采用橡胶类材料。但橡胶的加工精度较粗糙，很难用于精密仪器中，因此通过3D打印橡胶技术可实现橡胶的广泛应用[12]。但打印过程存在危险，且会散发出刺鼻的气体，对身体有明显的伤害。在批量生产橡胶类模具过程中，硅胶材料不论手感还是性能均有一定的竞争优势。

2.1.5 陶瓷材料

材料和设备限制3D打印技术的快速发展，而陶瓷材料属于应用困难的材料。陶瓷粉末快速烧结的过程中表面张力较大，快速凝固过程中会产生较大的热应力，使得产品表面存在许多裂纹，影响产品的质量。且陶瓷易碎、较硬，受产品性质的影响，陶瓷材料在常规的产品生产中较少采用[13]。但陶瓷材料在军工、航天领域发挥着至关重要的作用，比如陶瓷的导热性、抗腐蚀性、化学稳定性，在一定程度上突破了许多材料发展的瓶颈。对于3D陶瓷打印技术而言，发展前景广阔。

2.2 3D打印支撑材料类型

在3D打印的过程中，需要支撑材料辅助技术，在材料表面形成悬空结构，在特定的部位成型。打印结束后，支撑材料能够通过各种方式溶解，不会对主体材料制品产生不利影响。目前，主流市场广泛采用以下3种支撑技术用于3D打印中。

1）剥离型的支撑材料，即在打印的同时，将支撑材料打印成结构相对疏松、容易剥离的结构，通过物理的方式将支撑材料剥离。但是这种剥离方式误差较大，人员操作困难。而且剥离的过程较复杂，精准度不够，在剥离支撑材料的同时容易对主体材料产生破坏，且存在残留的风险。

2）为了解决剥离型支撑技术存在的弊端，研究人员逐渐将目光投向可溶解型的支撑材料，这种支撑材料主要是聚乙烯与丙烯酸类共聚物。它是一种水溶性的材料，打印完成后能够溶解于水中，不会对产品产生影响，也不会对人体产生危险性。但水溶性材料与本体材料黏结性较差，在溶解之前通常会出现溶胀的现场，对打印产品造成潜在损伤[14]。有资料报道：一种HIPS材料，在打印完成后脱离母体，溶于柠檬烯中，打印出来效果提高许多，但同时也增加了3D打印过程的成本。

3）分解型的3D打印支撑材料，即在3D打印完成后，支撑材料浸泡于酸性溶液中，酸性溶液将其酸化后产生气体，从而达到分解的作用。由于使用了有机酸，会造成打印机等器件出现锈蚀，污染环境，因此这种分解型的方式去支撑材料存在一定的危险。分解型的材料是以聚甲醛塑料作为基础材料，再添加些复合材料组成[15]。聚甲醛在工程中使用广泛，因其价格低廉，材料支撑效果好，分解后对产品外观无影响，受到市场热捧。

3 3D打印去支撑技术分析

3.1 绿色去支撑方案设计

支撑材料的去除处理步骤很重要，不仅会影响打印材料表面的平整度及光滑度，同时对产品的颜色、质量、强度、立体效果都会产生影响。因此，一方面保证去除支撑材料的同时不会影响产品的结构；另一方面去除的过程中不能引入有毒有害物质，包括引入的物质本身，也包括去除过程中不会因发生化学反应产生有害化学物质，损坏模型的表面并降低生产率。

本方案拟解决的技术难点为在目前国内外研究的基础上研究，此种材料和产品主体材料在分离前具有良好的黏结性。最后支撑材料溶于有机溶剂后，发生化学反应产生的物质不能对人体产生伤害。这种材料在打印过程中，具有稳定的化学性质及物理性质，拟寻求一种可溶于低廉的有机溶剂或可溶于高温水的材料作为支撑部分的打印材料，在产品后处理过程中，通过在溶剂中浸泡一定时间，支撑部分自动溶解，而主体产品不参与反应[16]。

构建可以黏附到可溶支撑物上的材料，这对于成功实现3D打印至关重要。支撑件和建筑材料的相邻层之间的黏合不良会导致脱落和打印故障。新材料经过设计，具有增强的黏合性能，它与长丝驱动3D打印平台中使用的各种疏水性和亲水性材料兼容。

3.2 可溶性支撑材料的成分及配比

3.2.1 有机溶剂载体

有机溶剂的选择极为关键。首先，该有机溶剂成本低廉，方便获取，便于运输和长时间存储，具有良好的化学稳定性，可反复使用，在打印过程中主要起催化作用。隔离层材料采用酸溶性氧化物，酸溶性无机盐，水溶性材料，溶于有机溶剂的材料中的至少一种与含有聚甲醛的有机高分子溶剂共同混炼制成。现在商业市场上有大量的可溶性支撑材料，包括PVP、HPMC、BVOH。

3.2.2 水溶性载体

开发水溶性载体具有一定的难度。首先许多水溶性聚合物比较脆，这阻止了它们转化为长丝。此外，使用传统添加剂进行增塑通常会抑制热稳定性和黏合性，从而严重限制了它们在3D打印中的使用。通过不断尝试，确定原材料成分配比，达到耐常温水而溶于高温（60 ℃以上）的目的；如果材料不能保证耐常温水，溶剂则更换为有机溶剂，之后需要大量实验，获得最佳的有机溶剂，以此获得满足性能的材料。这种“开箱即用”的树脂是由天然碳水化合物与柔软、坚韧和水溶性的聚合物混合而成。新材料是独一无二的，因为它足够坚硬，可以用作支撑丝。许多纯碳水化合物和水溶性聚合物都太脆而无法形成可用的长丝。进行许多尝试来增塑水溶性树脂，以便将其转化为长丝。添加增塑剂通常会大大降低基础树脂的热稳定性，同时增塑剂会抑制材料之间的黏附，严重限制它们在3D打印中的使用。

4 结语

综上所述，3D打印作为现代工业新技术，加快了传统的加工制造业的生产效率。当然3D打印的发展要遵循绿色、环保、可持续发展原则，不论是材料选择、生产制造，还是产品的创新等，始终应以高效、低碳、节能为前提，实现3D产业化可持续健康发展。