高分子3D打印材料和打印工藝分析

胡星曄

福建船政交通職業學院·機械與智能制造學院 福建 福州 350007

引言:3D打印工藝技術是一項集光、機電、計算機、數控及新材料于一體的先進制造技術,是新時代產品制造的全新創舉。它通過將粉末、液體或片狀、絲狀等離散材料（多為高分子材料）逐層疊加,將虛擬模型直接生成為三維實物。這種顛覆性的制造技術,相比傳統制造行業,可以有效降低產品制造的強度和難度,最大程度節約人力、物力、時間成本,符合現代和未來制造業對產品個性化、定制化、特殊化需求的發展趨勢,因此,探討高分子3D打印材料和打印工藝,具有重要現實意義。

1 高分子3D打印材料

1.1 ABS

ABS材料,屬于十分典型的高分子3D打印材料。這種材料,熱塑性能非常良好。具體來說,ABS材料,具備穩定的恒溫溫范圍,即210℃～260℃之間。這一特點,可使ABS材料,通過底板加熱,實現熱塑打印。另外,除卻具有穩定性的優勢之外,ABS材料更是具有極為顯著的延展性,非常便于產品修復。3D打印過程中,采用ABS材料,需要注重此項材料的熱脹冷縮特性,減少或者杜絕產品打印的偏差。通常情況下,ABS材料使用過程中,容易出現開裂、彎曲等質量缺陷。甚至還會產生,非常難聞氣味,影響長期參與3D打印人員的身心健康。因此,可以將其他填充材料,與ABS材料協同使用,有效規避此種材料的使用缺陷,大幅提升ABS材料使用性能[1]。

1.2 PC樹脂

PC樹脂高分子3D打印材料,應用于3D打印工藝中,效果更加優異。這是因為,PC樹脂材料,不僅具備ABS材料的顯著優勢,但是具備自身非常顯著的應用優點。例如,此項應用材料,操作過程中,不會產生非常難聞的氣味,也不會產生無色無味的有毒氣體,不會影響操作人員的身心健康。除此之外,PC樹脂材料更是具備十分良好的阻燃性和收縮率,這些特點的優異性,均在ABS材料之上。因此,PC樹脂材料,同比ABC材料,應用于3D打印工藝中的數量更加普遍。但是,PC樹脂材料,仍然具備應用缺陷。這種應用缺陷主要體現在,PC樹脂材料著色性能較低,而且采購成本十分昂貴,對于這些PC樹脂材料客觀存在的應用缺陷,可以將PC樹脂材料,與其他性能相近的材料混合使用,進而促使PC樹脂材料,可以獲得更加廣泛的應用,既能有效降低采購成本,又可有效凸顯PC樹脂材料優勢[2]。

1.3 PA材料

PA材料,簡單來講,就是日常生活中俗稱的尼龍。這種材料,具備十分良好的柔韌性能和拉伸強度。因此,PA材料,非常普遍的應用于工業生產之中,是一種具備極高價值的商業材料[3]。另外,PA材料,還可在極高溫度之下,具備轉化玻璃的潛在性能。因此,3D打印工藝中,應用PA材料,可使打印物體,具備良好的強度,韌性以及彈性。簡單來說,應用PA材料,進行3D打印,所成產品,將會十分結實牢固,抗打抗摔,安全耐久。目前階段,通過研究得出,PA材料,可以用作衣服的3D打印。但是,這種材料即便優勢諸多,仍然存在應用缺陷,即難以有效保障打印精度。

總之,關于3D打印的材料,并非ABS、PC樹脂、PA材料這三種。隨著科學技術的不斷發展,目前3D打印的材料,更在持續增加。只是相對來說,這些熱塑性高分子材料,便于加工,便于應用,因此廣受關注,成為3D打印工藝的主要材料。近幾年來,3D打印領域,更有一種具備熱縮性能的樹脂材料,橫空出世,成為3D打印的備選耗材。這是因為,此種材料更加環保,可以得到充分降解,但是相比其他材料而言,此種材料在實際應用過程中的操作性能,相對薄弱,不及上述三種材料的應用優勢[4]。

2 高分子3D打印工藝

2.1 聚合物質噴射

高分子3D打印工藝中的聚合物質噴射,所需打印材料為光敏性質的液態形式高分子。同時,需要將此種材料,預先處以拉絲準備,填入打印機器室內,作為3D打印機器的主要耗材。另外,為使打印內容得到樣式固定,還需設置3D打印內容的固化源,即UV紫外燈。具體操作過程中,需要通過打印機器,瞄準打印工作臺面,噴射光敏聚合物質[5]。與此同時,UV紫外燈,需要緊緊跟隨光敏聚合物質的噴射節奏,進而產生一邊噴射,一邊固化的3D打印效果。此項操作結束之后,即會生成一層3D打印物體。隨之,打印工作臺面,將會根據預先設定的程序,適時自動下降,打印便可完成。之后,根據實際需要,打印機器,繼續加入光敏聚合物質,作為打印耗材,逐次噴射固化,直至所需打印物體全部完成。此外,如果打印過程中,出現多余物質粘合,只需精準使用水槍,便可輕易去除邊料,呈現平整光潔的3D打印產品[6]。

2.2 立體平板印刷

此項3D打印工藝,需要預先切片,處理數字模型,設計掃描線路。這些打印準備事項完結之后,便可根據實際情況,展開升降臺和掃描器的精準運動,在此過程中,為使打印效果完美無缺,需要科學控制運動參數。隨后,進入重點打印環節,即需要通過掃描器,按照打印線路,照射激光光束,完成特定區域之中,光敏樹脂的表面固化。操作此項步驟,便可形成所需物體的一層截面。之后,根據實際情況,微微降低升降臺,基于已有固化截面,繼續覆蓋光敏樹脂,按照打印線路,照射激光光束,完成特定區域之中,第二層光敏樹脂的表面固化[7]。與此同時,第一層固化物將會與第二層固化物形成牢固粘結。依次重復操作步驟,覆蓋光明樹脂,按照打印線路,照射激光光束,直至所需打印物體全部打印生成。這種打印技術,相對來說,打印工藝更加精準,但是所需材料較為昂貴,比較適合要求高、體積小的物體制造[8]。

2.3 熔融沉積成型

熔融沉積成型是將低熔點絲材融化后,由打印噴頭擠出進行分層疊加堆積。它的操作原理與聚合物質噴射極為相似,均是需要預先處理打印耗材。具體操作過程中,需要將熱塑性高分子材料,拉絲處理,預先準備,填入機器。打印之時,已經填入3D打印機的熱塑性高分子材料,將會隨著機器噴嘴的逐漸升溫,達到熔點,基于壓力,融化于機器噴嘴之中,隨之根據設定指令完成噴射,一層又一層,層層堆積,層層疊加,便會形成所需打印的產品[9]。這種3D打印工藝,在整體3D打印工藝當中,屬于操作簡單、成本低廉的3D打印工藝。因此,熔融沉積成型的3D打印工藝,相對來說具備十分可觀的普適性,可以更加高效的用于產品制造。另外,由于此項工藝,極具應用優勢,還可滿足產品尺寸、細節等方面的常規要求,所以熔融沉積成型的3D打印工藝,成為目前3D打印工藝的應用主流[10]。

2.4 選擇性激光燒結

3D打印工藝中,采用熱塑性高分子材料作為打印耗材的打印工藝,還有選擇性激光燒結。此項工藝,主要采用具備熱塑性能的金屬質粉末或聚合物粉末。具體操作時,需要預先粉碎熱塑性材料。材料粉碎過程中,需要根據打印工藝,控制材料粉碎精度,使其具備投入3D打印的標準所需。之后啟動機器,慢慢拉起送料筒,與此同時,將預先準備的粉末,均勻撒向滾筒,為打印滾筒上滿料。隨后,滾筒依然緩緩上升,直至標準高度,預先設定的激光光束,便會收到打印指令,即時透出,照射所需打印區域粉末,進而在極高能量之下,燒結粉末,凝固材料,形成輪廓,完成這些操作步驟之后。最后需要,結合既定產品要求,逐次重復操作步驟,直至所需物體全部打印完成。這種3D打印工藝,主要采用熱塑性高分子材料。因此,合理的材料粉末,以及精準的激光照射,是通過此項工藝實現3D打印的關鍵所在。通常情況下,選擇性激光燒結,為使打印物品更加平整,還需采取壓輥進行燒結產品的整形,進而可使3D打印更加精益求精。此項技術的應用材料,目前階段主要采用塑料粉[11]。

結束語:

綜上所述,較為常見的高分子3D打印材料,主要有ABS、PC樹脂、PA材料,這些3D打印材料,均具備非常良好的熱塑性能,尤其是PC樹脂材料,更是具備無毒無害、阻燃性好,收縮率強的優異特點。另外,就3D打印工藝而言,目前主要有聚合物質噴射、立體平板印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結等打印工藝,這些3D打印工藝中,較為普遍應用的是熔融沉積成型。如果所需打印產品,要求高,體積小,則可采用聚合物質噴射與立體平板印刷,這是因為,這種光敏樹脂打印工藝,造價昂貴,但是精度極高,可以有效處理既定模型的諸多細節,進而實現完美無缺的3D打印。由此可見,目前階段3D打印技術,已經趨向成熟。但是,要想將3D打印工藝,更加普遍的投注于產品制造過程中,還需立足現狀,加強研究,找到成本更加低廉,性能更加優越的3D打印材料,與此同時,3D打印工藝,也需與時俱進,滿足制造需求,最大化實現3D打印工藝效益。本文因時間和范圍等不可控因素,仍然存在諸多不足,以期在后續深入探討中逐步完善。相信在未來,3D打印技術,將會隨著科學技術的進步,以及相關從業人員的共同努力,實現創新與突破,有效提高3D打印工藝效能,助力制造行業邁向新高度。