胡星曄

福建船政交通職業(yè)學(xué)院·機(jī)械與智能制造學(xué)院 福建 福州 350007

引言:3D打印工藝技術(shù)是一項(xiàng)集光、機(jī)電、計(jì)算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體的先進(jìn)制造技術(shù),是新時(shí)代產(chǎn)品制造的全新創(chuàng)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(shí)物。這種顛覆性的制造技術(shù),相比傳統(tǒng)制造行業(yè),可以有效降低產(chǎn)品制造的強(qiáng)度和難度,最大程度節(jié)約人力、物力、時(shí)間成本,符合現(xiàn)代和未來制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化、定制化、特殊化需求的發(fā)展趨勢(shì),因此,探討高分子3D打印材料和打印工藝,具有重要現(xiàn)實(shí)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(wěn)定的恒溫溫范圍,即210℃～260℃之間。這一特點(diǎn),可使ABS材料,通過底板加熱,實(shí)現(xiàn)熱塑打印。另外,除卻具有穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)之外,ABS材料更是具有極為顯著的延展性,非常便于產(chǎn)品修復(fù)。3D打印過程中,采用ABS材料,需要注重此項(xiàng)材料的熱脹冷縮特性,減少或者杜絕產(chǎn)品打印的偏差。通常情況下,ABS材料使用過程中,容易出現(xiàn)開裂、彎曲等質(zhì)量缺陷。甚至還會(huì)產(chǎn)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(xié)同使用,有效規(guī)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(yīng)用于3D打印工藝中,效果更加優(yōu)異。這是因?yàn)?PC樹脂材料,不僅具備ABS材料的顯著優(yōu)勢(shì),但是具備自身非常顯著的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。例如,此項(xiàng)應(yīng)用材料,操作過程中,不會(huì)產(chǎn)生非常難聞的氣味,也不會(huì)產(chǎn)生無色無味的有毒氣體,不會(huì)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(diǎn)的優(yōu)異性,均在ABS材料之上。因此,PC樹脂材料,同比ABC材料,應(yīng)用于3D打印工藝中的數(shù)量更加普遍。但是,PC樹脂材料,仍然具備應(yīng)用缺陷。這種應(yīng)用缺陷主要體現(xiàn)在,PC樹脂材料著色性能較低,而且采購成本十分昂貴,對(duì)于這些PC樹脂材料客觀存在的應(yīng)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(jìn)而促使PC樹脂材料,可以獲得更加廣泛的應(yīng)用,既能有效降低采購成本,又可有效凸顯PC樹脂材料優(yōu)勢(shì)[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(qiáng)度。因此,PA材料,非常普遍的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中,是一種具備極高價(jià)值的商業(yè)材料[3]。另外,PA材料,還可在極高溫度之下,具備轉(zhuǎn)化玻璃的潛在性能。因此,3D打印工藝中,應(yīng)用PA材料,可使打印物體,具備良好的強(qiáng)度,韌性以及彈性。簡單來說,應(yīng)用PA材料,進(jìn)行3D打印,所成產(chǎn)品,將會(huì)十分結(jié)實(shí)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(yōu)勢(shì)諸多,仍然存在應(yīng)用缺陷,即難以有效保障打印精度。

總之,關(guān)于3D打印的材料,并非ABS、PC樹脂、PA材料這三種。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,目前3D打印的材料,更在持續(xù)增加。只是相對(duì)來說,這些熱塑性高分子材料,便于加工,便于應(yīng)用,因此廣受關(guān)注,成為3D打印工藝的主要材料。近幾年來,3D打印領(lǐng)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?yàn)?此種材料更加環(huán)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(shí)際應(yīng)用過程中的操作性能,相對(duì)薄弱,不及上述三種材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[4]。

2 高分子3D打印工藝

2.1 聚合物質(zhì)噴射

高分子3D打印工藝中的聚合物質(zhì)噴射,所需打印材料為光敏性質(zhì)的液態(tài)形式高分子。同時(shí),需要將此種材料,預(yù)先處以拉絲準(zhǔn)備,填入打印機(jī)器室內(nèi),作為3D打印機(jī)器的主要耗材。另外,為使打印內(nèi)容得到樣式固定,還需設(shè)置3D打印內(nèi)容的固化源,即UV紫外燈。具體操作過程中,需要通過打印機(jī)器,瞄準(zhǔn)打印工作臺(tái)面,噴射光敏聚合物質(zhì)[5]。與此同時(shí),UV紫外燈,需要緊緊跟隨光敏聚合物質(zhì)的噴射節(jié)奏,進(jìn)而產(chǎn)生一邊噴射,一邊固化的3D打印效果。此項(xiàng)操作結(jié)束之后,即會(huì)生成一層3D打印物體。隨之,打印工作臺(tái)面,將會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序,適時(shí)自動(dòng)下降,打印便可完成。之后,根據(jù)實(shí)際需要,打印機(jī)器,繼續(xù)加入光敏聚合物質(zhì),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(xiàn)多余物質(zhì)粘合,只需精準(zhǔn)使用水槍,便可輕易去除邊料,呈現(xiàn)平整光潔的3D打印產(chǎn)品[6]。

2.2 立體平板印刷

此項(xiàng)3D打印工藝,需要預(yù)先切片,處理數(shù)字模型,設(shè)計(jì)掃描線路。這些打印準(zhǔn)備事項(xiàng)完結(jié)之后,便可根據(jù)實(shí)際情況,展開升降臺(tái)和掃描器的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng),在此過程中,為使打印效果完美無缺,需要科學(xué)控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)。隨后,進(jìn)入重點(diǎn)打印環(huán)節(jié),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(qū)域之中,光敏樹脂的表面固化。操作此項(xiàng)步驟,便可形成所需物體的一層截面。之后,根據(jù)實(shí)際情況,微微降低升降臺(tái),基于已有固化截面,繼續(xù)覆蓋光敏樹脂,按照打印線路,照射激光光束,完成特定區(qū)域之中,第二層光敏樹脂的表面固化[7]。與此同時(shí),第一層固化物將會(huì)與第二層固化物形成牢固粘結(jié)。依次重復(fù)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(shù),相對(duì)來說,打印工藝更加精準(zhǔn),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(diǎn)絲材融化后,由打印噴頭擠出進(jìn)行分層疊加堆積。它的操作原理與聚合物質(zhì)噴射極為相似,均是需要預(yù)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(yù)先準(zhǔn)備,填入機(jī)器。打印之時(shí),已經(jīng)填入3D打印機(jī)的熱塑性高分子材料,將會(huì)隨著機(jī)器噴嘴的逐漸升溫,達(dá)到熔點(diǎn),基于壓力,融化于機(jī)器噴嘴之中,隨之根據(jù)設(shè)定指令完成噴射,一層又一層,層層堆積,層層疊加,便會(huì)形成所需打印的產(chǎn)品[9]。這種3D打印工藝,在整體3D打印工藝當(dāng)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(duì)來說具備十分可觀的普適性,可以更加高效的用于產(chǎn)品制造。另外,由于此項(xiàng)工藝,極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì),還可滿足產(chǎn)品尺寸、細(xì)節(jié)等方面的常規(guī)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(yīng)用主流[10]。

2.4 選擇性激光燒結(jié)

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(jié)。此項(xiàng)工藝,主要采用具備熱塑性能的金屬質(zhì)粉末或聚合物粉末。具體操作時(shí),需要預(yù)先粉碎熱塑性材料。材料粉碎過程中,需要根據(jù)打印工藝,控制材料粉碎精度,使其具備投入3D打印的標(biāo)準(zhǔn)所需。之后啟動(dòng)機(jī)器,慢慢拉起送料筒,與此同時(shí),將預(yù)先準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)高度,預(yù)先設(shè)定的激光光束,便會(huì)收到打印指令,即時(shí)透出,照射所需打印區(qū)域粉末,進(jìn)而在極高能量之下,燒結(jié)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(jié)合既定產(chǎn)品要求,逐次重復(fù)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(zhǔn)的激光照射,是通過此項(xiàng)工藝實(shí)現(xiàn)3D打印的關(guān)鍵所在。通常情況下,選擇性激光燒結(jié),為使打印物品更加平整,還需采取壓輥進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)品的整形,進(jìn)而可使3D打印更加精益求精。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用材料,目前階段主要采用塑料粉[11]。

結(jié)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(qiáng)的優(yōu)異特點(diǎn)。另外,就3D打印工藝而言,目前主要有聚合物質(zhì)噴射、立體平板印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)等打印工藝,這些3D打印工藝中,較為普遍應(yīng)用的是熔融沉積成型。如果所需打印產(chǎn)品,要求高,體積小,則可采用聚合物質(zhì)噴射與立體平板印刷,這是因?yàn)?這種光敏樹脂打印工藝,造價(jià)昂貴,但是精度極高,可以有效處理既定模型的諸多細(xì)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完美無缺的3D打印。由此可見,目前階段3D打印技術(shù),已經(jīng)趨向成熟。但是,要想將3D打印工藝,更加普遍的投注于產(chǎn)品制造過程中,還需立足現(xiàn)狀,加強(qiáng)研究,找到成本更加低廉,性能更加優(yōu)越的3D打印材料,與此同時(shí),3D打印工藝,也需與時(shí)俱進(jìn),滿足制造需求,最大化實(shí)現(xiàn)3D打印工藝效益。本文因時(shí)間和范圍等不可控因素,仍然存在諸多不足,以期在后續(xù)深入探討中逐步完善。相信在未來,3D打印技術(shù),將會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,以及相關(guān)從業(yè)人員的共同努力,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與突破,有效提高3D打印工藝效能,助力制造行業(yè)邁向新高度。