增材制造工艺应用高分子材料分类与性能优化*

李 杲

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃金昌737100）

增材制造技术属于数字模型（CAD）一种分支，是通过CAD进行直接驱动，以高分子复合材料、陶瓷、树脂等为粘合材料在快速成型工艺指引下通过逐层叠加形式实现物理实体结构建设新型加工工艺。利用增材制造工艺实现零部件制备的最大优势，主要体现在三方面：一是可以仅通过CAD三维设计与增材制造设备进行对接，即可实现零部件加工，中间人工对接环节可以被省略；二是将三维结构的设计模型转化为二维层状结构，省去了大量制备模具的中间环节；三是实现多种材料与功能梯度的合理结合。本文以高分子材料耗材为主要研究对象，针对高分子材料在增材制造领域的应用进行分析，对高分子增材制造成型工艺进行优化，旨在为我国增材制造领域高分子耗材的应用提供借鉴[1]。

1 增材制造技术的原理与特点

1.1 技术原理

我们常说激光成型技术其实与增材制造技术是一样的。其原理都是通过对材料的分层加工和迭加成形，再通过逐渐增加材料来生成3D实体，它与打印机的技术原理相似。一般来说，物体成型的方式分为三种：①去除成型；②添加成型；③净尺寸成型，增材制造属于第二种。其中添加成型并不只包含增材制造，传统工艺的连接与焊接、安装、涂装、固化等等都是添加成型的方式。去除成型和净尺寸成型（浇铸、锻造）都是传统加工成型方式，发展已经很多年，技术成熟，标准比较统一[2]。增材制造技术首先利用计算机设计三维模型；其次是根据工艺需求，进行有规律的模型离散，将有的材料进行一系列的分散，再将其转化为三维模型；最后根据各分散层片的信息，在计算机中输入参数，根据系统生成的代码进行自动生成连接，得到一个三维实体。

1.2 优点

（1）与传统技术不同，增材制造技术的切割更加精准不用去除边角料，在很大程度上节约了材料，提高了利用率，从而降低了生产成本。

（2）能够显示出外形曲线设计，完成人工达不到的精准度和复杂程度。

（3）与传统的打印技术相比，它可以直接读取计算机图形数据库中识别部件形状，不需要复杂的刀具、固定装置和模型等。

（4）减少产品设计研发的时间，增材制造技术可以直接将计算机中的设计读取转化为模型，可以有效简化产品的研发周期。

（5）利用计算机技术实现了从平面图到实体的飞跃，同时可以在短时间内设计成型，有效地提高了设计人员和研发人员的工作效率。

（6）降低了组装成本投入，增材制造技术可以打印出组装成型的产品，减少了组装环节的投入。

1.3 缺点

（1）成本高。由于增材制造技术选材和技术方面花费比较高，可用于3D制造的材料范围有限，而且生产效率低。

（2）不具备大规模生产的条件。传统的减材制造法与增材制造技术相比，具有低成本、高成效的优势，在大规模生产上更具有优势，而增材制造技术目前还不具备大规模生产的条件，更适合个性化、定制化发展。

（3）受材料影响较大。增材制造技术的发展受到材料的限制，当前主要适用于打印材料的树脂、金属、塑料等非常有限。虽然有其他相同材质的材料和不同 材质的材料都已经被开发，但是这些材料仍然不够，还需要继续开发新的材料。在开发新材料时需要注意以下两点：①深入研究已经投入使用的材料的工艺、结构、特性等；②在原有基础上开发新的测试工艺和测试方法，以此来扩大可投入使用的材料范围[3]。

2 高分子增材制造材料的分类及性能优化

2.1 材料分类

高分子材料是适用于FMD型增材制造领域的主要耗材类型之一。作为该领域最为常见的加工和制备原材料，高分子材料在未来增材制造领域中的应用前景极为广阔。当前高分子领域应用于增材制造工艺的主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、PEI、光敏树脂等，一般高分子增材制造耗材分类情况如图1所示[4]。

图1 增材制造常用高分子材料分类Fig .1 Classifi cation of polymer materials commonly used in additive manufacturing

ABS系列高分子材料通常又可分为一般级、高流动级、押出级、防火级以及耐热级等材料，具有不同的性能优势。其中ABSPLUS材料是国外某企业专门针对增材制造技术研发的ABS系列高分子材料，与一般般ABS材料相比，ABSPLUS材料硬度较高；ABS系列材料可通过生物相容性认证、伽马射线照射以及EtO霉菌测试，因而可广泛应用于医疗、食品领域增材制造；ABSI具有很高的耐热性、呈琥珀色，可广泛应用于灯具的护罩材料加工领域，能够很好地体现光源效果；ABS-ESD则属于ABS-M30i系列，具有静电消散性能，可以被广泛应用于某些需要进行静电积累防护的器具制备领域。

PC材料是为增材制造领域应用最为广泛的热塑性材料，具备工程塑料的所有优点，如比强度高、弯曲模量大等。使用PC材料作为增材制造耗材，能够使制备出的样件直接进行安装使用。因而可广泛应用于部分模块化装配领域，如汽车行业、家电、医疗器械、船舶以及航空航天等[5]。

PEI塑胶性能上兼具高耐磨性和高温机械性能，可以被应用于输水管阀门等需要耐热性强、柔韧性强等器件的制备领域，在进行增材制造时被用作耗材的首选。同时该材料还可以作为一般耐高温塑胶的沾粘剂使用。WBSLA2820为激光快速成型光敏树脂，该材料基于SLA成型机制备而成，作为增材制造耗材可以制作耐用、坚硬、防水的功能零件，具有较为理想的综合性能，通常应用于汽车、医疗器械以及电子产品加工领域。

2.2 材料性能分析

当前较为常见的高分子材料增材制造技术包括熔融沉积式（Fused Deposition Modeling，以下简称FDM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering ，以下简称SLS）、选 择 性 热 烧 结（Selective hot sintering ，以下简称SHS）、分层体质制造法（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）、立体平板印刷（Stereolithography，以下简称SLA）等（图2）[6]。

图2 高分子材料增材制造技术分类Fig.2 Polymer material additive manufacturing technology classification

2.2.1 FDM

FDM工艺通过将丝状高分子材料如PC、PEI、高分子树脂等在熔融状态下经热熔枪喷嘴挤出，按照待制备零件、器具或其他结构在CAD等三维模型中的结构预定增材轨迹进行固定速率的熔体沉积。该工艺在完成一层的高分子材料增材制造以后，系统工作台自动下降一层的厚度（约0.1 mm左右）进行新层的增材制造，如此反复最终完成零件或器具的制备。该种方法便被称为熔融沉积式增材制造工艺[7]。FDM工艺实现高分子材料增材制造的关键点，在于需要通过温度感应器等设备时刻保持喷枪口的温度刚好高于增材制造耗材的熔点（如高出熔点1℃左右），每一层的基础厚度通过高分子热熔枪喷口直径进行控制，通常在0.25～0.50 mm 。

2.2.2 SLS

SLS是一种使用高功率激光如CO2激光进行增材制造的增材制造工艺。在利用该工艺进行零部件加工时，将很小的高分子材料粒子（如ABS等）融合成团块，形成所需要的三维形状进而完成增材制造。

2.2.3 SHS

SHS工作原理与SLS类似，唯一区别在于SHS采用的打印头为热敏打印头，工作时将热量提供给构建室中的高分子粉末层，再利用类似SLS的扫描文件法构建零部件等的结构，完成增材制造。SHS制备零部件每层的厚度约0.1 mm，使用的高分子材料多为热塑性高分子粉末[8]。

2.2.4 LOM

LOM法进行高分子材料增材制造时，会按照信息系统提取的零部件横截面轮廓，使用类似SLS工艺中的CO2激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的高分子材料纸张进行切割，然后利用热压机构将切割完成以后的高分子材料纸张一层层进行压紧、粘合，完成一层的制备以后，工作台自动降低一层厚度（根据实际的高分子材料层厚度不同而改变），进行后续重复作业，最终形成包含大量边角废料但整体结构完整的三维原型零件半成品。将该原型零件半成品自加工平台卸下以后，需要通过手工或机器加工形式将多余的废料小块剔除，才能最终得到增材制造高分子三维零部件。

2.2.5 SLA

SLA实现高分子材料增材制造时，需要应用的设备包括检流镜、激光发生器、激光束、刀片、平台等。紫外线激光束通过检流镜驱动，扫描承载高分子树脂材料的感光树脂桶，进而激活高分子材料发生聚合反应；树脂在硬化以后即可形成待加工零件的一个固体层；系统完成一层的增材制造以后会自动下降一个厚度（约0.05～0.15 mm）；刀片此时扫过部件横截面为其横截面涂上一层新的高分子树脂材料；激光光束此时扫描该高分子树脂新表面继续固化合并到前一层。如此不断重复操作，形成完整的零部件。利用SLA工艺进行增材制造需要最终将制备完成的零部件浸入化学药液中清洗掉多余高分子树脂材料，随后经紫外线烘箱进一步固化形成最终的成品[9]。

2.3 增材制造技术高分子材料应用

增材制造技术高分子材料的主要应用场景多见于机械制造、医疗等领域，如利用增材制造工艺制备飞机、枪械零部件，借助增材制造技术制造假牙、假肢等[7]。此外增材制造技术还被广泛应用于建筑领域，工程师利用增材制造机打印建筑物结构、外立面等，能够实现远高于一般建筑工艺的建筑效率，还能实现材料结余、降低成本。

3 结语

增材制造技术是生产制造业发展的新标志，它的出现推动了生产制造业数字化、智能化发展，促进生产制造业在科技化水平上的发展。增材制造技术的出现可以将复杂的高分子制造工艺简单化、一体化，同时可以制造出更加精准的轻质、高强、耐腐性性产品，可以推动生产制造业的长远发展。