高分子3D打印材料和打印工艺分析

胡星晔

福建船政交通职业学院·机械与智能制造学院 福建 福州 350007

引言:3D打印工艺技术是一项集光、机电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术,是新时代产品制造的全新创举。它通过将粉末、液体或片状、丝状等离散材料（多为高分子材料）逐层叠加,将虚拟模型直接生成为三维实物。这种颠覆性的制造技术,相比传统制造行业,可以有效降低产品制造的强度和难度,最大程度节约人力、物力、时间成本,符合现代和未来制造业对产品个性化、定制化、特殊化需求的发展趋势,因此,探讨高分子3D打印材料和打印工艺,具有重要现实意义。

1 高分子3D打印材料

1.1 ABS

ABS材料,属于十分典型的高分子3D打印材料。这种材料,热塑性能非常良好。具体来说,ABS材料,具备稳定的恒温温范围,即210℃～260℃之间。这一特点,可使ABS材料,通过底板加热,实现热塑打印。另外,除却具有稳定性的优势之外,ABS材料更是具有极为显著的延展性,非常便于产品修复。3D打印过程中,采用ABS材料,需要注重此项材料的热胀冷缩特性,减少或者杜绝产品打印的偏差。通常情况下,ABS材料使用过程中,容易出现开裂、弯曲等质量缺陷。甚至还会产生,非常难闻气味,影响长期参与3D打印人员的身心健康。因此,可以将其他填充材料,与ABS材料协同使用,有效规避此种材料的使用缺陷,大幅提升ABS材料使用性能[1]。

1.2 PC树脂

PC树脂高分子3D打印材料,应用于3D打印工艺中,效果更加优异。这是因为,PC树脂材料,不仅具备ABS材料的显著优势,但是具备自身非常显著的应用优点。例如,此项应用材料,操作过程中,不会产生非常难闻的气味,也不会产生无色无味的有毒气体,不会影响操作人员的身心健康。除此之外,PC树脂材料更是具备十分良好的阻燃性和收缩率,这些特点的优异性,均在ABS材料之上。因此,PC树脂材料,同比ABC材料,应用于3D打印工艺中的数量更加普遍。但是,PC树脂材料,仍然具备应用缺陷。这种应用缺陷主要体现在,PC树脂材料着色性能较低,而且采购成本十分昂贵,对于这些PC树脂材料客观存在的应用缺陷,可以将PC树脂材料,与其他性能相近的材料混合使用,进而促使PC树脂材料,可以获得更加广泛的应用,既能有效降低采购成本,又可有效凸显PC树脂材料优势[2]。

1.3 PA材料

PA材料,简单来讲,就是日常生活中俗称的尼龙。这种材料,具备十分良好的柔韧性能和拉伸强度。因此,PA材料,非常普遍的应用于工业生产之中,是一种具备极高价值的商业材料[3]。另外,PA材料,还可在极高温度之下,具备转化玻璃的潜在性能。因此,3D打印工艺中,应用PA材料,可使打印物体,具备良好的强度,韧性以及弹性。简单来说,应用PA材料,进行3D打印,所成产品,将会十分结实牢固,抗打抗摔,安全耐久。目前阶段,通过研究得出,PA材料,可以用作衣服的3D打印。但是,这种材料即便优势诸多,仍然存在应用缺陷,即难以有效保障打印精度。

总之,关于3D打印的材料,并非ABS、PC树脂、PA材料这三种。随着科学技术的不断发展,目前3D打印的材料,更在持续增加。只是相对来说,这些热塑性高分子材料,便于加工,便于应用,因此广受关注,成为3D打印工艺的主要材料。近几年来,3D打印领域,更有一种具备热缩性能的树脂材料,横空出世,成为3D打印的备选耗材。这是因为,此种材料更加环保,可以得到充分降解,但是相比其他材料而言,此种材料在实际应用过程中的操作性能,相对薄弱,不及上述三种材料的应用优势[4]。

2 高分子3D打印工艺

2.1 聚合物质喷射

高分子3D打印工艺中的聚合物质喷射,所需打印材料为光敏性质的液态形式高分子。同时,需要将此种材料,预先处以拉丝准备,填入打印机器室内,作为3D打印机器的主要耗材。另外,为使打印内容得到样式固定,还需设置3D打印内容的固化源,即UV紫外灯。具体操作过程中,需要通过打印机器,瞄准打印工作台面,喷射光敏聚合物质[5]。与此同时,UV紫外灯,需要紧紧跟随光敏聚合物质的喷射节奏,进而产生一边喷射,一边固化的3D打印效果。此项操作结束之后,即会生成一层3D打印物体。随之,打印工作台面,将会根据预先设定的程序,适时自动下降,打印便可完成。之后,根据实际需要,打印机器,继续加入光敏聚合物质,作为打印耗材,逐次喷射固化,直至所需打印物体全部完成。此外,如果打印过程中,出现多余物质粘合,只需精准使用水枪,便可轻易去除边料,呈现平整光洁的3D打印产品[6]。

2.2 立体平板印刷

此项3D打印工艺,需要预先切片,处理数字模型,设计扫描线路。这些打印准备事项完结之后,便可根据实际情况,展开升降台和扫描器的精准运动,在此过程中,为使打印效果完美无缺,需要科学控制运动参数。随后,进入重点打印环节,即需要通过扫描器,按照打印线路,照射激光光束,完成特定区域之中,光敏树脂的表面固化。操作此项步骤,便可形成所需物体的一层截面。之后,根据实际情况,微微降低升降台,基于已有固化截面,继续覆盖光敏树脂,按照打印线路,照射激光光束,完成特定区域之中,第二层光敏树脂的表面固化[7]。与此同时,第一层固化物将会与第二层固化物形成牢固粘结。依次重复操作步骤,覆盖光明树脂,按照打印线路,照射激光光束,直至所需打印物体全部打印生成。这种打印技术,相对来说,打印工艺更加精准,但是所需材料较为昂贵,比较适合要求高、体积小的物体制造[8]。

2.3 熔融沉积成型

熔融沉积成型是将低熔点丝材融化后,由打印喷头挤出进行分层叠加堆积。它的操作原理与聚合物质喷射极为相似,均是需要预先处理打印耗材。具体操作过程中,需要将热塑性高分子材料,拉丝处理,预先准备,填入机器。打印之时,已经填入3D打印机的热塑性高分子材料,将会随着机器喷嘴的逐渐升温,达到熔点,基于压力,融化于机器喷嘴之中,随之根据设定指令完成喷射,一层又一层,层层堆积,层层叠加,便会形成所需打印的产品[9]。这种3D打印工艺,在整体3D打印工艺当中,属于操作简单、成本低廉的3D打印工艺。因此,熔融沉积成型的3D打印工艺,相对来说具备十分可观的普适性,可以更加高效的用于产品制造。另外,由于此项工艺,极具应用优势,还可满足产品尺寸、细节等方面的常规要求,所以熔融沉积成型的3D打印工艺,成为目前3D打印工艺的应用主流[10]。

2.4 选择性激光烧结

3D打印工艺中,采用热塑性高分子材料作为打印耗材的打印工艺,还有选择性激光烧结。此项工艺,主要采用具备热塑性能的金属质粉末或聚合物粉末。具体操作时,需要预先粉碎热塑性材料。材料粉碎过程中,需要根据打印工艺,控制材料粉碎精度,使其具备投入3D打印的标准所需。之后启动机器,慢慢拉起送料筒,与此同时,将预先准备的粉末,均匀撒向滚筒,为打印滚筒上满料。随后,滚筒依然缓缓上升,直至标准高度,预先设定的激光光束,便会收到打印指令,即时透出,照射所需打印区域粉末,进而在极高能量之下,烧结粉末,凝固材料,形成轮廓,完成这些操作步骤之后。最后需要,结合既定产品要求,逐次重复操作步骤,直至所需物体全部打印完成。这种3D打印工艺,主要采用热塑性高分子材料。因此,合理的材料粉末,以及精准的激光照射,是通过此项工艺实现3D打印的关键所在。通常情况下,选择性激光烧结,为使打印物品更加平整,还需采取压辊进行烧结产品的整形,进而可使3D打印更加精益求精。此项技术的应用材料,目前阶段主要采用塑料粉[11]。

结束语:

综上所述,较为常见的高分子3D打印材料,主要有ABS、PC树脂、PA材料,这些3D打印材料,均具备非常良好的热塑性能,尤其是PC树脂材料,更是具备无毒无害、阻燃性好,收缩率强的优异特点。另外,就3D打印工艺而言,目前主要有聚合物质喷射、立体平板印刷、熔融沉积成型、选择性激光烧结等打印工艺,这些3D打印工艺中,较为普遍应用的是熔融沉积成型。如果所需打印产品,要求高,体积小,则可采用聚合物质喷射与立体平板印刷,这是因为,这种光敏树脂打印工艺,造价昂贵,但是精度极高,可以有效处理既定模型的诸多细节,进而实现完美无缺的3D打印。由此可见,目前阶段3D打印技术,已经趋向成熟。但是,要想将3D打印工艺,更加普遍的投注于产品制造过程中,还需立足现状,加强研究,找到成本更加低廉,性能更加优越的3D打印材料,与此同时,3D打印工艺,也需与时俱进,满足制造需求,最大化实现3D打印工艺效益。本文因时间和范围等不可控因素,仍然存在诸多不足,以期在后续深入探讨中逐步完善。相信在未来,3D打印技术,将会随着科学技术的进步,以及相关从业人员的共同努力,实现创新与突破,有效提高3D打印工艺效能,助力制造行业迈向新高度。