李 杲

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅金昌737100）

增材制造技術(shù)屬于數(shù)字模型（CAD）一種分支，是通過CAD進(jìn)行直接驅(qū)動，以高分子復(fù)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(xiàn)物理實體結(jié)構(gòu)建設(shè)新型加工工藝。利用增材制造工藝實現(xiàn)零部件制備的最大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在三方面：一是可以僅通過CAD三維設(shè)計與增材制造設(shè)備進(jìn)行對接，即可實現(xiàn)零部件加工，中間人工對接環(huán)節(jié)可以被省略；二是將三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為二維層狀結(jié)構(gòu)，省去了大量制備模具的中間環(huán)節(jié)；三是實現(xiàn)多種材料與功能梯度的合理結(jié)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(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析，對高分子增材制造成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為我國增材制造領(lǐng)域高分子耗材的應(yīng)用提供借鑒[1]。

1 增材制造技術(shù)的原理與特點

1.1 技術(shù)原理

我們常說激光成型技術(shù)其實與增材制造技術(shù)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(jī)的技術(shù)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(tǒng)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(tǒng)加工成型方式，發(fā)展已經(jīng)很多年，技術(shù)成熟，標(biāo)準(zhǔn)比較統(tǒng)一[2]。增材制造技術(shù)首先利用計算機(jī)設(shè)計三維模型；其次是根據(jù)工藝需求，進(jìn)行有規(guī)律的模型離散，將有的材料進(jìn)行一系列的分散，再將其轉(zhuǎn)化為三維模型；最后根據(jù)各分散層片的信息，在計算機(jī)中輸入?yún)?shù)，根據(jù)系統(tǒng)生成的代碼進(jìn)行自動生成連接，得到一個三維實體。

1.2 優(yōu)點

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

（2）能夠顯示出外形曲線設(shè)計，完成人工達(dá)不到的精準(zhǔn)度和復(fù)雜程度。

（3）與傳統(tǒng)的打印技術(shù)相比，它可以直接讀取計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)庫中識別部件形狀，不需要復(fù)雜的刀具、固定裝置和模型等。

（4）減少產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的時間，增材制造技術(shù)可以直接將計算機(jī)中的設(shè)計讀取轉(zhuǎn)化為模型，可以有效簡化產(chǎn)品的研發(fā)周期。

（5）利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了從平面圖到實體的飛躍，同時可以在短時間內(nèi)設(shè)計成型，有效地提高了設(shè)計人員和研發(fā)人員的工作效率。

（6）降低了組裝成本投入，增材制造技術(shù)可以打印出組裝成型的產(chǎn)品，減少了組裝環(huán)節(jié)的投入。

1.3 缺點

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

（2）不具備大規(guī)模生產(chǎn)的條件。傳統(tǒng)的減材制造法與增材制造技術(shù)相比，具有低成本、高成效的優(yōu)勢，在大規(guī)模生產(chǎn)上更具有優(yōu)勢，而增材制造技術(shù)目前還不具備大規(guī)模生產(chǎn)的條件，更適合個性化、定制化發(fā)展。

（3）受材料影響較大。增材制造技術(shù)的發(fā)展受到材料的限制，當(dāng)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(zhì)的材料和不同 材質(zhì)的材料都已經(jīng)被開發(fā)，但是這些材料仍然不夠，還需要繼續(xù)開發(fā)新的材料。在開發(fā)新材料時需要注意以下兩點：①深入研究已經(jīng)投入使用的材料的工藝、結(jié)構(gòu)、特性等；②在原有基礎(chǔ)上開發(fā)新的測試工藝和測試方法，以此來擴(kuò)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(yōu)化

2.1 材料分類

高分子材料是適用于FMD型增材制造領(lǐng)域的主要耗材類型之一。作為該領(lǐng)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(lǐng)域中的應(yīng)用前景極為廣闊。當(dāng)前高分子領(lǐng)域應(yīng)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(yōu)勢。其中ABSPLUS材料是國外某企業(yè)專門針對增材制造技術(shù)研發(fā)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(rèn)證、伽馬射線照射以及EtO霉菌測試，因而可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、食品領(lǐng)域增材制造；ABSI具有很高的耐熱性、呈琥珀色，可廣泛應(yīng)用于燈具的護(hù)罩材料加工領(lǐng)域，能夠很好地體現(xiàn)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(yīng)用于某些需要進(jìn)行靜電積累防護(hù)的器具制備領(lǐng)域。

PC材料是為增材制造領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的熱塑性材料，具備工程塑料的所有優(yōu)點，如比強(qiáng)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(jìn)行安裝使用。因而可廣泛應(yīng)用于部分模塊化裝配領(lǐng)域，如汽車行業(yè)、家電、醫(yī)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(jī)械性能，可以被應(yīng)用于輸水管閥門等需要耐熱性強(qiáng)、柔韌性強(qiáng)等器件的制備領(lǐng)域，在進(jìn)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(jī)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(yīng)用于汽車、醫(yī)療器械以及電子產(chǎn)品加工領(lǐng)域。

2.2 材料性能分析

當(dāng)前較為常見的高分子材料增材制造技術(shù)包括熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，以下簡稱FDM）、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering ，以下簡稱SLS）、選 擇 性 熱 燒 結(jié)（Selective hot sintering ，以下簡稱SHS）、分層體質(zhì)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(shù)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(tài)下經(jīng)熱熔槍噴嘴擠出，按照待制備零件、器具或其他結(jié)構(gòu)在CAD等三維模型中的結(jié)構(gòu)預(yù)定增材軌跡進(jìn)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(tǒng)工作臺自動下降一層的厚度（約0.1 mm左右）進(jìn)行新層的增材制造，如此反復(fù)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(xiàn)高分子材料增材制造的關(guān)鍵點，在于需要通過溫度感應(yīng)器等設(shè)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(chǔ)厚度通過高分子熱熔槍噴口直徑進(jìn)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(jìn)行增材制造的增材制造工藝。在利用該工藝進(jìn)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(tuán)塊，形成所需要的三維形狀進(jìn)而完成增材制造。

2.2.3 SHS

SHS工作原理與SLS類似，唯一區(qū)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(gòu)建室中的高分子粉末層，再利用類似SLS的掃描文件法構(gòu)建零部件等的結(jié)構(gòu)，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(jìn)行高分子材料增材制造時，會按照信息系統(tǒng)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(jìn)行切割，然后利用熱壓機(jī)構(gòu)將切割完成以后的高分子材料紙張一層層進(jìn)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(jù)實際的高分子材料層厚度不同而改變），進(jìn)行后續(xù)重復(fù)作業(yè)，最終形成包含大量邊角廢料但整體結(jié)構(gòu)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(jī)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(xiàn)高分子材料增材制造時，需要應(yīng)用的設(shè)備包括檢流鏡、激光發(fā)生器、激光束、刀片、平臺等。紫外線激光束通過檢流鏡驅(qū)動，掃描承載高分子樹脂材料的感光樹脂桶，進(jìn)而激活高分子材料發(fā)生聚合反應(yīng)；樹脂在硬化以后即可形成待加工零件的一個固體層；系統(tǒng)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(xù)固化合并到前一層。如此不斷重復(fù)操作，形成完整的零部件。利用SLA工藝進(jìn)行增材制造需要最終將制備完成的零部件浸入化學(xué)藥液中清洗掉多余高分子樹脂材料，隨后經(jīng)紫外線烘箱進(jìn)一步固化形成最終的成品[9]。

2.3 增材制造技術(shù)高分子材料應(yīng)用

增材制造技術(shù)高分子材料的主要應(yīng)用場景多見于機(jī)械制造、醫(yī)療等領(lǐng)域，如利用增材制造工藝制備飛機(jī)、槍械零部件，借助增材制造技術(shù)制造假牙、假肢等[7]。此外增材制造技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，工程師利用增材制造機(jī)打印建筑物結(jié)構(gòu)、外立面等，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)高于一般建筑工藝的建筑效率，還能實現(xiàn)材料結(jié)余、降低成本。

3 結(jié)語

增材制造技術(shù)是生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展的新標(biāo)志，它的出現(xiàn)推動了生產(chǎn)制造業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展，促進(jìn)生產(chǎn)制造業(yè)在科技化水平上的發(fā)展。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)可以將復(fù)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(zhǔn)的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐性性產(chǎn)品，可以推動生產(chǎn)制造業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。