3D 打印用聚乳酸材料研究

樊 聰，楊東輝，蘇經緯，喬 偉，孟昭旭

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003）

3D 打印技術起源于20 世紀80 年代，最早被稱為快速成型技術（RPM）。其基于CAD（計算機輔助設計）技術，通過逐層堆疊物料來制作3D 模型。在20 世紀90 年代，該技術開始商業化，并被應用于醫療和航空領域。隨著時間的推移和各種材料的涌現，3D 打印技術也得到迅速發展，種類繁多（見表1），而且變得越來越高效和精確，同時成本也在不斷降低。如今，3D 打印技術已成為各種制造行業的必備工具，廣泛應用于工業制造、建筑工程、航空航天、國防軍事、文化藝術、教育培訓及生物醫學等領域[1]。同時，它也應用于生物醫學和航空航天等領域，為未來制造和技術創新帶來了無限可能。其中，由于熔融沉積成型（FDM）技術打印設備價格低、操作簡便、原材料利用率高和安全無毒等優點，成為應用最廣泛的3D 打印技術[2]。

表1 常規3D 打印技術名稱及工作原理

熔融沉積造型技術（FDM）是由Stratasys 公司主席CrumpS 在1988 年所發明的[3]。FDM 是一種常見且受歡迎的3D 打印技術。其打印原理如圖1 所示，利用加熱的金屬噴嘴將絲狀熱塑性高分子材料熔化，然后通過壓力作用從噴嘴擠出，按照計算機程序規定的路徑逐層成型，從而實現所需的三維物體的制造[4]。目前基于FDM 3D 打印機的耗材主要有PLA（聚乳酸）、ABS、HIPS、PETGPE、PP、PVA（水溶）、TPU（柔性）、TPE（柔性）、木屑、碳纖維、尼龍、光變和漸變等。

圖1 FDM 打印原理圖

1 PLA 簡介

聚乳酸（Polylactic acid，PLA），又被稱為聚丙交酯，是一種由乳酸聚合而成的聚酯材料。聚乳酸具有卓越的生物可降解性、相容性和吸收性，因此成為3D 打印領域最受歡迎的材料之一。表2 列出了聚乳酸材料的物理力學性質。聚乳酸是一種無毒、無刺激的合成高分子材料，其原料主要來自淀粉（如玉米、大米）等經過發酵的產物，也可以使用纖維素、廚房垃圾或魚體廢料等資源作為原料。PLA 的原料來源廣泛，而制成的產品在使用后可直接進行堆肥或焚燒處理，最終能夠完全分解為CO2和H2O，對環境造成的影響極小，滿足可持續發展的要求[5]。PLA 所擁有的良好透明性和一定的韌性、生物相容性及耐熱等性能，是其被廣泛應用的主要原因。

表2 聚乳酸的物理力學性質

PLA 不僅具有生物可降解性和相容性，還具備熱塑性特性，使其在眾多領域中得到廣泛應用。通過使用PLA 制備的產品可以應用于多個領域，例如包裝材料、纖維等。特別是在一次性用品領域，如一次性餐具和包裝材料等，PLA 被廣泛采用。此外，其還可以應用于汽車制造中的車門、腳墊和車座等部件，以及服裝、電器和醫療衛生領域。

2 PLA 材料在3D 打印材料中的優缺點

2.1 PLA 材料在3D 打印材料中的優點

PLA 材料是可生物降解的[6]，可在自然環境中分解且不會對環境造成污染，因此，使用PLA 材料制作的3D 打印模型更加環保和健康。PLA 材料易于加工，為初學者和專業制造商的首選材料之一。同時，PLA 材料還具有出色的流動性和抗拉強度，材料熔化后容易附著和延展，可以在沒有加熱平臺情況下打印大型模型而邊角不容易翹起。PLA 材料在打印過程中具有較低的收縮率，這意味著即使在打印較大尺寸的模型時，也能表現出良好的性能。同時，工作溫度較ABS 低，節省能源的同時打印模型更易塑形。PLA 材料具有較好的可塑性，可根據需要在3D 打印中進行形狀和尺寸的調整。此外，PLA 還可以通過添加其他材料來改變其特性，例如可以添加金屬粉末和木質顆粒等，以改善模型的質感和外觀。

PLA 材料非常輕，3D 打印的模型重量更加輕盈，對于制造航空航天部件、汽車零件和其他需要輕質材料的產品非常實用。由于其輕量性，PLA 還可以在大型3D 打印項目中用作支撐材料。PLA 材料有著豐富的顏色選擇。從透明和半透明到各種顏色的均勻和不均勻著色，都可以在3D 打印模型中使用，這使得制造精美的3D 打印模型成為可能。

PLA 材料不含有毒有害物質，在使用過程中不會產生有害氣體或放射性物質，這使得PLA 材料在醫療和食品行業中得到廣泛應用，可用于制造各種醫療設備和食品容器。PLA 材料在3D 打印材料中的最重要的一個優勢是其低廉的成本。與其他3D 打印材料相比，PLA 的制造成本相對較低，這使其能夠成為制造商和消費者的首選材料之一。

2.2 PLA 材料在3D 打印材料中的缺點

PLA 材料的熱穩定性較差，在高溫下易于軟化和變形，這使得其在高溫環境下的應用受到限制。在3D打印過程中，由于打印頭和打印床需要保持一定的溫度，因此，PLA 材料容易出現卡塞和變形等問題，這會影響打印質量和效率。PLA 材料的力學性能不夠強韌。相比于其他3D 打印材料，如ABS 和尼龍，PLA 材料的韌性和耐沖擊性較差[7]。在應用中，PLA 材料的制品容易斷裂和變形，這使得其在需要強韌性能的應用中受到限制。

PLA 材料的水分吸收性較高[8]。PLA 材料對水分敏感，容易吸收周圍環境中的水分，導致材料質量下降和打印效果不佳。這也意味著在使用PLA 材料時需要特別注意儲存和處理。PLA 材料的降解速度受環境影響。雖然PLA 材料是可降解的，但其降解速度取決于環境因素，如溫度、濕度和光照等。在一些應用中，如醫療器械和食品包裝等，需要材料具有可控的降解速度和穩定性，因此，PLA 材料的降解特性可能會限制其應用范圍。

綜上所述，雖然PLA 材料在3D 打印應用中具有許多優點，但其熱穩定性、力學性能、水分吸收性和降解速度等缺點是影響其廣泛應用的重要因素，需要在以后深入研究改善。在選擇3D 打印材料時，需要根據實際需求綜合考慮各種因素，選擇最適合的材料。

3 基于單軸壓縮類煤巖試驗研究

在類煤巖單軸壓縮試驗中，材料的物理性質對試驗結果具有重要影響。PLA 3D 打印材料作為一種常見的材料，在有些情況下也被用于模擬煤巖試樣，但其并不適合用于單軸壓縮類煤巖試驗，圖2 為采用PLA材料打印的樣品，這里將對其進行詳細闡述。

圖2 PLA 材料打印的試樣

首先，PLA 3D 打印材料的強度和硬度不足以模擬煤巖的物理性質。煤巖是一種典型的脆性材料，其抗壓強度和彈性模量等物理性質都具有特殊性質。相比之下，PLA 3D 打印材料的強度和硬度均較低[9]，無法真實模擬煤巖的物理特性。因此，在類煤巖單軸壓縮試驗中，使用PLA 3D 打印材料制作的試樣可能會失真或產生偏差。

其次，PLA 3D 打印材料的變形行為與煤巖不同。煤巖在單軸壓縮過程中會產生各種復雜的變形和破壞行為，例如裂紋擴展、剪切和壓縮等。而PLA 3D 打印材料的變形行為相對簡單，主要是由于材料的屈服和破壞。圖3 為不同填充形狀的PLA 打印材料在單軸壓縮下的變形狀態，這種行為與煤巖的變形行為截然不同，表現出明顯的塑性，因此，使用PLA 3D 打印材料制作的試樣無法真實模擬煤巖的變形和破壞行為。

圖3 單軸壓縮下不同填充形狀的3D 打印件變形狀況

此外，PLA 3D 打印材料的幾何形狀和制造工藝也會對試驗結果產生影響。煤巖力學試驗通常需要對試樣進行精確地加工和控制，以確保試驗結果的準確性和可靠性。而PLA 3D 打印材料由于受到3D 打印工藝和材料特性的限制，可能難以制造出符合試驗要求的、形狀復雜和精度要求較高的試樣，導致試驗結果失真或無法得到可靠的結果。

同時，除了材料本身的問題，PLA 3D 打印技術本身也存在一些限制，可能影響其在類煤巖單軸壓縮試驗中的應用。例如，PLA 3D 打印技術的制造精度和打印層厚度會影響試樣的力學特性和強度[10]，因此，需要在試驗前進行充分的測試和驗證。此外，PLA 3D 打印材料的熱穩定性和耐溫性也需要得到充分考慮，以確保試樣在試驗過程中不會因為高溫環境而發生變形或破壞。

綜上所述，PLA 3D 打印材料并不適合用于類煤巖單軸壓縮試驗中。因此，在進行類煤巖單軸壓縮試驗時，應選擇其他適合的材料來代替PLA 3D 打印材料進行試驗。常見的替代材料包括ABS、PETG 和尼龍等。這些材料具有更高的強度、硬度和耐磨性，可以更好地模擬煤巖的物理力學特性，從而獲得更準確的試驗結果。此外，在選擇材料時，還應考慮到試驗需要的精度、形狀和制造工藝等因素，以確保試驗結果的可靠性和準確性。

4 PLA 在3D 打印材料中的應用

4.1 PLA 在制作模型和原型方面的應用

PLA 材料具有良好的流動性和成型性，因此，其非常適合用于制作模型和原型。PLA 可以在3D 打印機上打印出復雜的幾何形狀，并可以被染色和噴漆以增加其視覺吸引力。此外，PLA 在打印過程中不會產生異味和有害氣體，且在制作模型和原型時，PLA 可以在室溫下處理，不需要特殊的加熱設備，因此，其是一種非常安全和可靠的3D 打印材料。

4.2 PLA 在醫療領域中的應用

由于PLA 是一種生物可降解材料，因此，其在醫療領域中具有廣泛應用[11]。PLA 不僅可以用于制作各種醫療器械，例如手術器械、檢測器具和醫用耳塞等，而且可以用于制作各種植入物，例如骨接合器、心臟支架和牙科填充物等。還可以用于制作各種人工器官，例如人工骨髓、人工肝臟和人工耳蝸等。

PLA 的生物相容性和成型性使其成為制造各種人工器官的理想材料，而且避免了傳統材料可能產生的副作用和并發癥。

4.3 PLA 在食品包裝領域中的應用

PLA 是一種食品級材料，因此，其可以用于制作食品包裝[12]。PLA 具有良好的抗菌性和防潮性，可以保持食品的新鮮和衛生。PLA 可以用于制作食品包裝袋，例如保鮮袋、咖啡袋和零食包裝袋等。這些包裝袋須具有良好的防潮性和抗菌性，可以保持食品的新鮮和衛生。還可以用于制作食品瓶子，例如瓶裝水和瓶裝果汁等。這些瓶子具有良好的防漏性和耐沖擊性，可以保護食品不受污染和損壞。

4.4 PLA 在環保領域中的應用

PLA 是一種可降解材料，可以被自然環境分解。因此，PLA 在環保領域中具有廣泛的應用[13]。PLA 可以取代傳統塑料，降低對環境的污染。PLA 可以用于制作各種一次性產品，例如餐具、杯子和袋子等。這些產品可以在使用后被自然降解，從而減少對環境的污染。也可以用于制作垃圾袋，這些垃圾袋可以降解并且不會產生有害物質。這有助于減少塑料垃圾對環境造成的危害。還可以用于制作各種農業用品，例如農膜和育苗盤等。這些產品可以在使用后被自然降解，從而減少對土壤和環境的污染。

綜上所述，PLA 在3D 打印材料、醫療、食品包裝和環保等領域中都具有廣泛的應用前景。作為一種可降解材料，PLA 可以有效地減少對環境的污染，同時具有良好的成型性和機械性能，使其成為制造各種產品的理想材料。隨著人們對環保和健康的關注日益增加，PLA 在未來將會得到更加廣泛的應用。此外，PLA 還可以與其他材料進行復合，以改善其性能[14]。例如，將PLA 與木材粉末復合可以制作出一種名為木塑復合材料的產品，其具有木材的質感和PLA 的可降解性。這種材料可以用于制作家具、地板、圍欄等產品。

值得注意的是，PLA 雖然具有可降解性，但其降解需要一定的時間和條件。在常溫下，PLA 降解的速度相對較慢，需要數年至數十年的時間才能完全分解。因此，使用PLA 制造的產品仍需在使用后妥善處理，避免對環境造成污染。

5 結論

PLA 3D 打印材料在單軸壓縮下表現出明顯的塑性，與煤巖的變形特征差別較大，故PLA 不適合用于單軸壓縮類煤巖試驗。盡管PLA 存在一些缺點，但其仍然是最受歡迎的3D 打印材料之一，在3D 打印、生物醫學、環保等領域具有廣泛的應用前景。研究PLA的性能和應用，可以促進其在各個領域的應用，推動3D 打印技術的發展和應用。同時，PLA 作為一種環保、生物可降解的材料，可以減少對環境的污染，具有重要的環保意義。因此，PLA 的研究領域具有重要的科研和社會意義。