高分子材料3D打印技術(shù)

高分子材料3D打印技術(shù)摘要：3D打印作為一種新興的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料的快速制造，同時可以對材料的結(jié)構(gòu)更精確快速的設(shè)計，這無疑是推動眾多領(lǐng)域發(fā)展的助力。3D打印與高分子材料的結(jié)合為制造技術(shù)開辟了新的途徑。基于此，本文針對高分子3D打印材料及打印技術(shù)進(jìn)行探討分析，以供參考。關(guān)鍵詞：高分子材料;3D打印技術(shù);打印材料引言根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，3D打印的名稱是增材制造。當(dāng)前，3D打印技術(shù)被廣泛用于航空航天、醫(yī)療保健、文化和教育領(lǐng)域。這項技術(shù)的創(chuàng)造和發(fā)展，不僅會促進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新，還將影響這些領(lǐng)域中的一些概念和思維模式的創(chuàng)新，并最終影響制造業(yè)。3D打印材料一直是3D打印領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和研究難點(diǎn)，而對高分子材料的研究日益成為3D打印技術(shù)的深入開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵要素。核心價值主要體現(xiàn)在:一方面，高分子材料具有種類繁多、化學(xué)性質(zhì)各異、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅可打印出形狀多樣性的產(chǎn)品，而且可打印出功能多樣性的產(chǎn)品。另一方面，高分子材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，比如部分的工程塑料，其力學(xué)強(qiáng)度堪比金屬材料，而其密度卻很小。在現(xiàn)實(shí)生活中，是打印汽車零件等物品的首選。由于這些特點(diǎn)使得高分子材料在3D打印領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，剛好也是當(dāng)今3D打印市場所需。1高分子3D打印技術(shù)1.1噴墨直接成型技術(shù)噴墨直接成型技術(shù)很明顯是一種基于墨水的技術(shù)，該技術(shù)依賴于有膠體有機(jī)材料制成的墨水絲的沉積從而逐層構(gòu)建模型。在噴墨成型技術(shù)中，在打印墨水中直接溶解成型材料或者將成型材料分散在墨水中。在施加電壓后，通過傳感器來控制所需要噴射的噴孔噴墨，打印噴頭將墨水直接從噴嘴中噴射或者擠壓出來在襯底表面沉積形成二維片層，然后通過層層的堆積來形成三維立體結(jié)構(gòu)。噴墨直接成型技術(shù)的優(yōu)勢在于可以有效地降低成本、合理的利用材料并且做構(gòu)建出來的三維模型精度較高。但是該技術(shù)受到打印墨水濃度的影響，濃度過高容易堵塞噴孔導(dǎo)致不能正常噴墨從而導(dǎo)致不能快速成型[1]。1.2熔融沉積成型技術(shù)基于熔融沉積的3D打印技術(shù)最早是由ScottCrump在1989年發(fā)明并申請一FDM為核心的專利技術(shù)。目前此技術(shù)也是受到人們的廣泛關(guān)注和喜愛，源于其技術(shù)成本低而且操作簡單，并且FDM技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空航天、教學(xué)等眾多領(lǐng)域。熔融沉積技術(shù)主要包括兩個部分:螺桿擠出過程和熔融沉積成型過程。FDM打印技術(shù)，它將ABS塑料、聚乳酸等熱塑性聚合物的絲狀材料通過噴頭加熱，然后在噴孔處施以一定壓力將熔融后的材料擠出，與此同時，噴孔通過電腦所設(shè)定的軌跡移動，在形成所設(shè)定的二維片層后工作臺下移一定高度或者噴頭上移一定高度再進(jìn)行下一篇層的涂覆，最終形成所設(shè)計的3D打印產(chǎn)品[2]。1.3選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)(SLS)起源于20世紀(jì)80年代，美國C.Ｒ.Dechard首次研制成功的技術(shù)。主要運(yùn)用于金屬、陶瓷等材料的3D打印同時也可運(yùn)用于熱塑性聚合物粉末。SLS成型的具體步驟如下:首先使儀器送料桶上移，令滾動鋪粉滾筒在工作臺上均勻鋪上一層粉末材料，然后再引導(dǎo)激光器發(fā)射的激光，在激光束的作用下，對計算機(jī)所設(shè)定的截面輪廓內(nèi)的粉末進(jìn)行燒結(jié)，將有粘結(jié)劑的粉末融化形成一體化的打印層。當(dāng)?shù)谝黄瑢訜Y(jié)完成后，使工作臺下降設(shè)定的高度對下一層的燒結(jié)，如此循環(huán)單層燒結(jié)步驟最終形成設(shè)定的三維立體產(chǎn)品[3]。選擇性激光燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在與(1)它無需支撐結(jié)構(gòu);(2)選材廣泛，塑料粉末金屬粉末等都可以用于成型材料;(3)材料利用率可接近100%。不足之處(1)與FDM一樣，打印精度較低激光輻射接觸的表面降解現(xiàn)象嚴(yán)重;(2)需要升溫冷卻，成型時間長;(3)力學(xué)性能較低，燒結(jié)過程容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力發(fā)生形變等。1.4立體光固化成型技術(shù)3D打印的多種方法中，目前使用最為廣泛的是立體光固化成型技術(shù)(SLA)，該技術(shù)首次由3DSystem于1986年開發(fā)，同時SLA也是技術(shù)最成熟的，發(fā)展前景最好的技術(shù)。同時與其他技術(shù)相比，例如選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積等，光固化技術(shù)使用獨(dú)特的光誘導(dǎo)聚合，并且實(shí)現(xiàn)了高分辨率結(jié)構(gòu)的制作。光固化技術(shù)的主要特點(diǎn)有:(1)所制件具有極高的精度;(2)具有極高的表面質(zhì)量;(3)有較高的原料利用率。光固化快速成型的固化原理是源自液體感光樹脂，在光化學(xué)反應(yīng)和感光樹脂的聯(lián)合作用下，利用紫外光照，引發(fā)活性片段，低聚物和單體之間的交聯(lián)反應(yīng)，從而獲得固體產(chǎn)品。光固化技術(shù)需要提前用CAD設(shè)計出所需的三維模型圖，之后在計算機(jī)控制下的紫外激光光束下，進(jìn)行分層打印[3]。光固化成型開始時，首先將第一升降平臺的液體樹脂設(shè)在特定厚度(0.05～0.3mm)，由計算機(jī)控制，照射光源對樹脂罐頂部進(jìn)行截面輪廓水平以及垂直掃描，樹脂固化的升降平臺隨后升降一定的高度，使固化樹脂層的表面覆蓋有一種新的液態(tài)樹脂，并且用刮板刮去多余樹脂后，對其進(jìn)行水平和垂直掃描。以同樣的方式一層一層的固化樹脂，直至最終完成成型。最后在液態(tài)樹脂中取出制好的樣品，經(jīng)過拋光打磨等后處理方式即可獲得最后的成品。2高分子材料3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著高分子材料3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其已經(jīng)取締了諸多傳統(tǒng)的打印機(jī)和工業(yè)制造機(jī)器，被國際學(xué)術(shù)界稱為“第三次工業(yè)革命”的重要標(biāo)志之一。當(dāng)前，在高分子材料3D打印技術(shù)領(lǐng)域，雖然我國較西方發(fā)達(dá)國家還存在著差距，但我國非常重視該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，并且給予了高分子材料3D打印技術(shù)極大的關(guān)注。同時隨著高分子材料的日益豐富，技術(shù)層面的不斷革新，制作成本將大大降低，高分子材料3D打印技術(shù)將為“中國制造”變?yōu)椤爸袊鴦?chuàng)造”提供了最廣闊的平臺和雄厚的技術(shù)實(shí)力。未來的高分子3D打印將會以全新的面貌進(jìn)入千家萬戶，被廣泛的應(yīng)用于我們的衣、食、住、行中。將來，我們可以在一天之內(nèi)在家打印一雙鞋子，或者將來某一天可以在汽車上安裝3D打印機(jī)。如果車輛的某一零件壞了，也可以直接打印出來安上而不用去修理店維修了?？傮w來說，高分子3D打印技術(shù)由于其獨(dú)特的魅力而逐漸融入我們的生活，并且憑借著其獨(dú)特的優(yōu)勢正在逐步改變我們的物質(zhì)世界[5]。結(jié)束語3D打印目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、光催化等領(lǐng)域。3D打印所具有的數(shù)字設(shè)計和增材制造特點(diǎn)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，這也極大地促進(jìn)了對于3D打印的學(xué)術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)。隨著各種3D打印高分子材料的發(fā)展，3D打印同時也能夠帶來更多的創(chuàng)新型應(yīng)用。但是作為一種新興的制造技術(shù)，如何能夠?qū)⑦@項技術(shù)更有效合理的應(yīng)用仍然有待更加深入的探索。目前的3D打印材料以及打印技術(shù)已經(jīng)有了一定的發(fā)展與革新，但是現(xiàn)在的3D打印只是一個良好的開端，3D打印能在未來發(fā)揮出更加令人驚嘆的作用。參考文獻(xiàn)[1]張楊.計算機(jī)技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].粘接,2019,40(10):79-82.[2]房鑫卿.3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用前景[J].輕工科技,2019,35(05):77-78.[3]王超,袁媛,任蕊,曹晨茜.高分子3D打印材料和打印工藝探析[J].山東工業(yè)技術(shù),2019(10):55.[4]張羅悅.