當(dāng)前技術(shù)發(fā)展模式下的3D打印高分子材料

常雪梅 董韋良

安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 淮南 233001

作為一項(xiàng)實(shí)用性非常強(qiáng)的工科專(zhuān)業(yè)，3D打印技術(shù)在高分子材料的應(yīng)用和工程實(shí)踐中，擁有了很多的技術(shù)成果。高分子材料和工程專(zhuān)業(yè)在現(xiàn)代生活中是一門(mén)具有實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)課作為理論課的補(bǔ)充，在高分子成型加工實(shí)驗(yàn)課上，應(yīng)將實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，通過(guò)創(chuàng)新教學(xué)方式，提高高分子材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐和科研能力。當(dāng)前隨著技術(shù)的發(fā)展對(duì)技術(shù)進(jìn)行論證，需要從成型加工原理工藝流程等方面，將學(xué)習(xí)和生產(chǎn)工作予以結(jié)合。

1 3 D打印技術(shù)在技術(shù)浪潮中的表現(xiàn)

1.1 當(dāng)前在消費(fèi)電子航空航天汽車(chē)公司等大幅度的增加高分子加強(qiáng)化合物，運(yùn)用3 D打印技術(shù)，在低溫延展性FDM材料和高性能的3D打印材料等方面加以應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從新常態(tài)邁向低能耗高增長(zhǎng)的發(fā)展階段。由于受到全球眾多企業(yè)青睞3D打印等創(chuàng)新數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)秉承高分子先進(jìn)的實(shí)踐和科研能力，使得3D打印技術(shù)擁有了先進(jìn)的發(fā)展水平。應(yīng)用3D打印技術(shù)，在工業(yè)企業(yè)的制造大國(guó)，包含了中國(guó)在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中高速增長(zhǎng)。無(wú)論是投資驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)還是要素驅(qū)動(dòng)，3D打印技術(shù)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)中都發(fā)揮出重要的推動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)了全新的創(chuàng)新的數(shù)字化生產(chǎn)模式，使得3D打印技術(shù)目前在加工制品生產(chǎn)效率原材料需求等方面均擁有了技術(shù)驅(qū)動(dòng)能力。相對(duì)傳統(tǒng)的金屬材料3 D打印，選擇性激光燒結(jié)等SL2LS技術(shù)，設(shè)備價(jià)格在相對(duì)降低的情況下，后期處理工藝不斷提升，尤其是一種低成本金屬3 D打印成型方法，避免了原有工藝中材料容易發(fā)生氧化成型周期長(zhǎng)的缺陷。

1.2 在實(shí)現(xiàn)PT的功能化打印上，重點(diǎn)研究了打印方法打印機(jī)里設(shè)備運(yùn)用，例如金屬高分子材料載體共混物，3D打印技術(shù)成型周期較短，內(nèi)在缺陷少，利用優(yōu)化后的燒結(jié)脫脂工藝，獲得了高表面光潔度和高精度的金屬制品，尤其是在低溫下通過(guò)逐層堆積，實(shí)現(xiàn)了熔體輸送和熔滴噴射的均勻可控性。而且自主研發(fā)的打印機(jī)圖能夠?qū)⒏叻肿硬牧吓c金屬粉末進(jìn)行造粒和共混，突破了傳統(tǒng)的粉末眼睛制作技術(shù)中的技術(shù)瓶頸。在小批量產(chǎn)品和大批量生產(chǎn)中都實(shí)現(xiàn)了無(wú)模化數(shù)字化的制造[1]。

1.3 對(duì)于傳統(tǒng)金屬3 D打印技術(shù)種類(lèi)也予以創(chuàng)新，在復(fù)雜形狀金屬零件的制造加工中發(fā)揮出巨大作用.傳統(tǒng)金屬材料3 D打印目前主要采用SLS(選擇性激光燒結(jié))技術(shù)，其設(shè)備價(jià)格昂貴，加工的制品表面容易出現(xiàn)缺陷，工件后期處理工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，原材料要求高，影響了其推廣應(yīng)用，因此一種適用范圍較廣的低成本金屬3 D打印成型方法，即金屬-高分子材料載體共混物3D低溫打印技術(shù)。其主要方法:將金屬粉末與高分子材料進(jìn)行共混造粒，通過(guò)自主研發(fā)的打印機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)均勻可控的熔體輸送和熔滴噴射，在低溫下通過(guò)熔滴逐層堆積，實(shí)現(xiàn)坯體的功能化打印；再利用優(yōu)化后的脫脂-燒結(jié)工藝可獲得具有高精度和高表面光潔度的金屬制品。

2 3 D高分子材料打印技術(shù)在工程中的應(yīng)用

2.1 3 D打印橋的設(shè)計(jì)更自由、更靈活、更具多元空間變幻。例如工程橋梁建設(shè)中，設(shè)計(jì)方案將參數(shù)化的數(shù)字構(gòu)建方式融入設(shè)計(jì)中，沖破傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)的束縛，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體，同時(shí)還可以利用快速成型技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，與設(shè)計(jì)過(guò)程形成互動(dòng)，使設(shè)計(jì)從視覺(jué)直觀走向量化理性。

2.2 在進(jìn)行試驗(yàn)階段，高分子成型加工通過(guò)3D打印技術(shù)將壓制、擠出、注射、壓延成型等過(guò)程予以展示。這符合時(shí)代發(fā)展需求，具有時(shí)代特征。3D打印技術(shù)依據(jù)數(shù)字電腦模型，3D打印技術(shù)，運(yùn)用粉末狀金屬和塑料等可粘合材料，制成3D實(shí)物模型，包括光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、直接金屬激光燒結(jié)3D噴涂連接等技術(shù)在內(nèi)的3D打印技術(shù)，運(yùn)用工業(yè)級(jí)高分子材料，形成成型材料。

2.3 3D打印技術(shù)運(yùn)用數(shù)字模型在高分子領(lǐng)域中將打印技術(shù)快速發(fā)展，可以生產(chǎn)出具有個(gè)性化特殊性的產(chǎn)品。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，同時(shí)也發(fā)揮出3 D打印二3D打印在高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

相對(duì)傳統(tǒng)的高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)，3D打印技術(shù)融入到高分子成型加工實(shí)驗(yàn)中，在產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜后處理工藝復(fù)雜等問(wèn)題上予以解決。由于高分子材料成型加工，往往環(huán)境污染較為嚴(yán)重，而采用3 D打印技術(shù)能夠采用信息存儲(chǔ)光盤(pán)技術(shù)，聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)。針對(duì)傳統(tǒng)的高分子成型技術(shù)，開(kāi)拓廣闊的應(yīng)用前景[2]。

3 3D打印與高分子材料結(jié)合

3D技術(shù)采用cad技術(shù)，將陶瓷、樹(shù)脂、砂等可粘性材料在經(jīng)過(guò)逐層疊加之后，構(gòu)成了物理實(shí)體。進(jìn)行3D技術(shù)與高分子材料技術(shù)應(yīng)用，常用的包括選擇性熱燒結(jié)分層實(shí)體制造等。例如燒熔沉積式FDM通過(guò)將絲狀材料，如熱塑性材料金屬等熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。在工作下降過(guò)程中，疊加沉積新的一層，經(jīng)過(guò)反復(fù)，實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型，其工藝關(guān)鍵是將半流動(dòng)成型材料的溫度恰好保持在比熔點(diǎn)高1℃左右的溫度。

當(dāng)前常用的3 D打印材料包含了無(wú)機(jī)非金屬聚合材料等，材料經(jīng)過(guò)合適的固體到液態(tài)，再到固體的加工窗口，成型后通過(guò)凝固凝結(jié)為良好的具有機(jī)械強(qiáng)度高和設(shè)定功能的材料，包含高分子粉末、光敏樹(shù)脂、凝膠等聚合物。在進(jìn)行高分子粉末材料的制備上，產(chǎn)生的粉碎熱，在常溫下粉碎之后，使得高分子材料具有粘彈性粉碎的粒子重新粘合，降低了粉碎效率。當(dāng)?shù)蜏叵赂叻肿硬牧虾痛呋瘻囟扔欣诓捎脹_擊式粉碎方法進(jìn)行粉碎時(shí)，此時(shí)采用適用的高分子材料，如聚碳酸酯聚乙烯等，運(yùn)用低溫粉碎法制造粉末材料，確定粉碎溫度，對(duì)韌性較好的原料保持較低的溫度，連續(xù)化生產(chǎn)，專(zhuān)用的深冷設(shè)備，使得粉末顆粒形狀軍醫(yī)將聚合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校捎酶淖儨囟群图尤敕侨軇┑姆椒ǎ沟镁酆衔镆苑勰钸M(jìn)行沉淀[4]。

結(jié)語(yǔ)

3 D打印高分子材料主要是光敏樹(shù)脂、工程塑料與其它的生物醫(yī)用材料等，而隨著發(fā)展日新月異的3D打印研究，相信將來(lái)不會(huì)局限于當(dāng)今的材料，充分掌握了高分子材料的成型加工原理。3D打印技術(shù)在現(xiàn)代高分子材料與工程項(xiàng)目施工中發(fā)揮出巨大的無(wú)可替代的作用。這也是為未來(lái)高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革提供了思路和途徑。人才在3D打印技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中逐步培養(yǎng)出來(lái)，并在實(shí)踐中形成了良好的科研氛圍。