增材制造工藝應用高分子材料分類與性能優化*

李 杲

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅金昌737100）

增材制造技術屬于數字模型（CAD）一種分支，是通過CAD進行直接驅動，以高分子復合材料、陶瓷、樹脂等為粘合材料在快速成型工藝指引下通過逐層疊加形式實現物理實體結構建設新型加工工藝。利用增材制造工藝實現零部件制備的最大優勢，主要體現在三方面：一是可以僅通過CAD三維設計與增材制造設備進行對接，即可實現零部件加工，中間人工對接環節可以被省略；二是將三維結構的設計模型轉化為二維層狀結構，省去了大量制備模具的中間環節；三是實現多種材料與功能梯度的合理結合。本文以高分子材料耗材為主要研究對象，針對高分子材料在增材制造領域的應用進行分析，對高分子增材制造成型工藝進行優化，旨在為我國增材制造領域高分子耗材的應用提供借鑒[1]。

1 增材制造技術的原理與特點

1.1 技術原理

我們常說激光成型技術其實與增材制造技術是一樣的。其原理都是通過對材料的分層加工和迭加成形，再通過逐漸增加材料來生成3D實體，它與打印機的技術原理相似。一般來說，物體成型的方式分為三種：①去除成型；②添加成型；③凈尺寸成型，增材制造屬于第二種。其中添加成型并不只包含增材制造，傳統工藝的連接與焊接、安裝、涂裝、固化等等都是添加成型的方式。去除成型和凈尺寸成型（澆鑄、鍛造）都是傳統加工成型方式，發展已經很多年，技術成熟，標準比較統一[2]。增材制造技術首先利用計算機設計三維模型；其次是根據工藝需求，進行有規律的模型離散，將有的材料進行一系列的分散，再將其轉化為三維模型；最后根據各分散層片的信息，在計算機中輸入參數，根據系統生成的代碼進行自動生成連接，得到一個三維實體。

1.2 優點

（1）與傳統技術不同，增材制造技術的切割更加精準不用去除邊角料，在很大程度上節約了材料，提高了利用率，從而降低了生產成本。

（2）能夠顯示出外形曲線設計，完成人工達不到的精準度和復雜程度。

（3）與傳統的打印技術相比，它可以直接讀取計算機圖形數據庫中識別部件形狀，不需要復雜的刀具、固定裝置和模型等。

（4）減少產品設計研發的時間，增材制造技術可以直接將計算機中的設計讀取轉化為模型，可以有效簡化產品的研發周期。

（5）利用計算機技術實現了從平面圖到實體的飛躍，同時可以在短時間內設計成型，有效地提高了設計人員和研發人員的工作效率。

（6）降低了組裝成本投入，增材制造技術可以打印出組裝成型的產品，減少了組裝環節的投入。

1.3 缺點

（1）成本高。由于增材制造技術選材和技術方面花費比較高，可用于3D制造的材料范圍有限，而且生產效率低。

（2）不具備大規模生產的條件。傳統的減材制造法與增材制造技術相比，具有低成本、高成效的優勢，在大規模生產上更具有優勢，而增材制造技術目前還不具備大規模生產的條件，更適合個性化、定制化發展。

（3）受材料影響較大。增材制造技術的發展受到材料的限制，當前主要適用于打印材料的樹脂、金屬、塑料等非常有限。雖然有其他相同材質的材料和不同 材質的材料都已經被開發，但是這些材料仍然不夠，還需要繼續開發新的材料。在開發新材料時需要注意以下兩點：①深入研究已經投入使用的材料的工藝、結構、特性等；②在原有基礎上開發新的測試工藝和測試方法，以此來擴大可投入使用的材料范圍[3]。

2 高分子增材制造材料的分類及性能優化

2.1 材料分類

高分子材料是適用于FMD型增材制造領域的主要耗材類型之一。作為該領域最為常見的加工和制備原材料，高分子材料在未來增材制造領域中的應用前景極為廣闊。當前高分子領域應用于增材制造工藝的主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、PEI、光敏樹脂等，一般高分子增材制造耗材分類情況如圖1所示[4]。

圖1 增材制造常用高分子材料分類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為一般級、高流動級、押出級、防火級以及耐熱級等材料，具有不同的性能優勢。其中ABSPLUS材料是國外某企業專門針對增材制造技術研發的ABS系列高分子材料，與一般般ABS材料相比，ABSPLUS材料硬度較高；ABS系列材料可通過生物相容性認證、伽馬射線照射以及EtO霉菌測試，因而可廣泛應用于醫療、食品領域增材制造；ABSI具有很高的耐熱性、呈琥珀色，可廣泛應用于燈具的護罩材料加工領域，能夠很好地體現光源效果；ABS-ESD則屬于ABS-M30i系列，具有靜電消散性能，可以被廣泛應用于某些需要進行靜電積累防護的器具制備領域。

PC材料是為增材制造領域應用最為廣泛的熱塑性材料，具備工程塑料的所有優點，如比強度高、彎曲模量大等。使用PC材料作為增材制造耗材，能夠使制備出的樣件直接進行安裝使用。因而可廣泛應用于部分模塊化裝配領域，如汽車行業、家電、醫療器械、船舶以及航空航天等[5]。

PEI塑膠性能上兼具高耐磨性和高溫機械性能，可以被應用于輸水管閥門等需要耐熱性強、柔韌性強等器件的制備領域，在進行增材制造時被用作耗材的首選。同時該材料還可以作為一般耐高溫塑膠的沾粘劑使用。WBSLA2820為激光快速成型光敏樹脂，該材料基于SLA成型機制備而成，作為增材制造耗材可以制作耐用、堅硬、防水的功能零件，具有較為理想的綜合性能，通常應用于汽車、醫療器械以及電子產品加工領域。

2.2 材料性能分析

當前較為常見的高分子材料增材制造技術包括熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，以下簡稱FDM）、選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering ，以下簡稱SLS）、選 擇 性 熱 燒 結（Selective hot sintering ，以下簡稱SHS）、分層體質制造法（Laminated Object Manufacturing，以下簡稱LOM）、立體平板印刷（Stereolithography，以下簡稱SLA）等（圖2）[6]。

圖2 高分子材料增材制造技術分類Fig.2 Polymer material additive manufacturing technology classification

2.2.1 FDM

FDM工藝通過將絲狀高分子材料如PC、PEI、高分子樹脂等在熔融狀態下經熱熔槍噴嘴擠出，按照待制備零件、器具或其他結構在CAD等三維模型中的結構預定增材軌跡進行固定速率的熔體沉積。該工藝在完成一層的高分子材料增材制造以后，系統工作臺自動下降一層的厚度（約0.1 mm左右）進行新層的增材制造，如此反復最終完成零件或器具的制備。該種方法便被稱為熔融沉積式增材制造工藝[7]。FDM工藝實現高分子材料增材制造的關鍵點，在于需要通過溫度感應器等設備時刻保持噴槍口的溫度剛好高于增材制造耗材的熔點（如高出熔點1℃左右），每一層的基礎厚度通過高分子熱熔槍噴口直徑進行控制，通常在0.25～0.50 mm 。

2.2.2 SLS

SLS是一種使用高功率激光如CO2激光進行增材制造的增材制造工藝。在利用該工藝進行零部件加工時，將很小的高分子材料粒子（如ABS等）融合成團塊，形成所需要的三維形狀進而完成增材制造。

2.2.3 SHS

SHS工作原理與SLS類似，唯一區別在于SHS采用的打印頭為熱敏打印頭，工作時將熱量提供給構建室中的高分子粉末層，再利用類似SLS的掃描文件法構建零部件等的結構，完成增材制造。SHS制備零部件每層的厚度約0.1 mm，使用的高分子材料多為熱塑性高分子粉末[8]。

2.2.4 LOM

LOM法進行高分子材料增材制造時，會按照信息系統提取的零部件橫截面輪廓，使用類似SLS工藝中的CO2激光束對箔材沿輪廓線將工作臺上的高分子材料紙張進行切割，然后利用熱壓機構將切割完成以后的高分子材料紙張一層層進行壓緊、粘合，完成一層的制備以后，工作臺自動降低一層厚度（根據實際的高分子材料層厚度不同而改變），進行后續重復作業，最終形成包含大量邊角廢料但整體結構完整的三維原型零件半成品。將該原型零件半成品自加工平臺卸下以后，需要通過手工或機器加工形式將多余的廢料小塊剔除，才能最終得到增材制造高分子三維零部件。

2.2.5 SLA

SLA實現高分子材料增材制造時，需要應用的設備包括檢流鏡、激光發生器、激光束、刀片、平臺等。紫外線激光束通過檢流鏡驅動，掃描承載高分子樹脂材料的感光樹脂桶，進而激活高分子材料發生聚合反應；樹脂在硬化以后即可形成待加工零件的一個固體層；系統完成一層的增材制造以后會自動下降一個厚度（約0.05～0.15 mm）；刀片此時掃過部件橫截面為其橫截面涂上一層新的高分子樹脂材料；激光光束此時掃描該高分子樹脂新表面繼續固化合并到前一層。如此不斷重復操作，形成完整的零部件。利用SLA工藝進行增材制造需要最終將制備完成的零部件浸入化學藥液中清洗掉多余高分子樹脂材料，隨后經紫外線烘箱進一步固化形成最終的成品[9]。

2.3 增材制造技術高分子材料應用

增材制造技術高分子材料的主要應用場景多見于機械制造、醫療等領域，如利用增材制造工藝制備飛機、槍械零部件，借助增材制造技術制造假牙、假肢等[7]。此外增材制造技術還被廣泛應用于建筑領域，工程師利用增材制造機打印建筑物結構、外立面等，能夠實現遠高于一般建筑工藝的建筑效率，還能實現材料結余、降低成本。

3 結語

增材制造技術是生產制造業發展的新標志，它的出現推動了生產制造業數字化、智能化發展，促進生產制造業在科技化水平上的發展。增材制造技術的出現可以將復雜的高分子制造工藝簡單化、一體化，同時可以制造出更加精準的輕質、高強、耐腐性性產品，可以推動生產制造業的長遠發展。