高分子3D打印材料和打印工藝

3D 打印是近年來新興的一種熱門技術(shù)，它可以根據(jù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)字模型為參照，使用粉末狀的金屬、塑料、砂子等多種打印材料，將計(jì)算機(jī)中的模型變成實(shí)實(shí)在在的物品。

根據(jù)打印工藝的不同，所用 3D 打印的基本材料也有較大的差異，例如粉末層噴頭 3D 打印的用材主要為石膏，而光聚合3D 打印的用材主要為光硬化樹脂等高分子材料。只有將打印工藝和打印材料配套使用，才能確保最終打印的產(chǎn)品具有良好的性能。

微尺度3D打印設(shè)備

3D 打印目前已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、建筑、汽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用， 與傳統(tǒng)的材料加工方式相比，3D 打印具有個(gè)性化定制、數(shù)字化制造等應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 。

但是作為一種新興技術(shù)，3D 打印技術(shù)在發(fā)展過程中還面臨材料、機(jī)器、成本等許多限制因素 。本文首先列舉了 3D 打印常用的一些材料，隨后分別以熱塑性高分子、光敏樹脂為例，就打印工藝中需要注意的事項(xiàng)和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

3D 打印的常用材料

在不同的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，3D打印適用的材料也有很大差異，隨著近年來3D打印技術(shù)逐漸成熟，可用的材料將近200種，其中應(yīng)用比較普遍的有以下幾種。

( 一) ABS 塑料類

ABS 塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體組成的混合物，三種單體可用按照任意比例混合，制成性能不同的高分子樹脂材料 。ABS 塑料不僅具有較強(qiáng)的硬度和較高的彈性，而且具有耐腐蝕、耐磨損等特性，是現(xiàn)階段3D 打印中應(yīng)用最廣的材料之一 。在 3D 打印時(shí)，先將打印噴嘴的溫度調(diào)高至150℃ - 200℃ 之間，使 ABS 塑料溶解為液態(tài)，然后根據(jù)計(jì)算機(jī)控制從噴嘴噴出，遇冷后迅速凝固成型。

(二) PLA 塑料類

聚乳酸(PLA) 塑料是一種從植物(稻草、麥稈等) 中提取淀粉原料，莖稈生物轉(zhuǎn)化和化學(xué)加工后支撐的一種高純度乳酸， 具有可再生、無(wú)污染等特點(diǎn) 。PLA 材料具有熱穩(wěn)定性好、易于加工成型等特點(diǎn)，在 3D 打印的多個(gè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域均有使用。與 ABS 塑料相比，PLA 塑料由于原料來源較廣，成本較低，因此

在一些低端 3D 打印機(jī)中更加使用。

(三) 光敏樹脂

光敏樹脂是一種由齊聚物、光引發(fā)劑等物質(zhì)組合成的聚合物，該種材料具有粘度低、固化速度快、光敏感性高等特點(diǎn)，是 高精度 3D 打印中常用的高分子材料 。另外，與上文中所提到的兩種高分子塑料材料相比，光明樹脂在凝固后表面更加刮花，且沒有普通樹脂的刺激性氣味，具有廣闊的應(yīng)用前景。

高分子材料的打印工藝

( 一) 熱塑性高分子材料的打印工藝

3D 打印是將不同材料進(jìn)行“層層疊加”后形成一種新產(chǎn)品的工藝，因此根據(jù)不同的“疊加”類型，可以將打印工藝分成若干種。

在熱塑性高分子材料打印中，主要的成型方式包括以下幾種。

( 1) 熔融沉積成型 。其原理是提前將熱塑性聚合物進(jìn)行拉絲，將絲狀的材料裝入到 3D 打印機(jī)的材料室內(nèi) 。在打印時(shí)，先將噴嘴溫度升高，達(dá)到熱塑性材料的熔點(diǎn) 。然后利用壓力將絲 狀材料送入到噴嘴中，材料融化后在壓力作用下從噴嘴噴出， 同時(shí)按照計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終將材料逐層堆積形成既 定形狀的產(chǎn)品 。熔融沉積成型打印工藝的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便， 且對(duì)設(shè)備要求不高，從成本上來說是目前高分子 3D 打印中比 較低廉的一種工藝 。在產(chǎn)品質(zhì)量方面，該種工藝制作出來的3D 產(chǎn)品無(wú)論是在細(xì)節(jié)、尺寸還是穩(wěn)定性方面，都滿足了基本要求。

( 2) 選擇性激光燒結(jié) 。該種工藝可以用熱塑性聚合物粉末或是金屬粉末作為主要的加工材料 。其中的工藝技術(shù)要點(diǎn)包括 : 先將熱塑性材料進(jìn)行粉碎加工，要求粉末的細(xì)度符合 3D 打印精度的標(biāo)準(zhǔn) 。然后啟動(dòng)設(shè)備，讓送料筒緩緩提升，在提升過程中，將高分子聚合物粉末均勻的灑在滾筒的表面 。當(dāng)滾筒上升到一定高度后，激光器感應(yīng)發(fā)出激光束，激光束按照計(jì)算機(jī) 控制指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于激光束具有極高的能量，照射區(qū)域的粉末會(huì)燒結(jié)、凝固，形成一定的輪廓 。完成第一次燒結(jié)后，再重復(fù)上述步驟，直到形成 3D 產(chǎn)品。

(二) 光敏樹脂高分子材料的打印工藝

3D 打印的許多產(chǎn)品都對(duì)精度、分辨率有較高的要求，除了 要對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化外，選擇高性能的材料也是提高打印產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素 。光敏樹脂高分子材料雖然價(jià)格比較昂貴，但是性能優(yōu)越，適合一些小體積、高要求的材料制造。

( 1) 立體平板印刷 。首先利用程序?qū)?shù)字模型進(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，從而精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng) ; 而后，利用激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，令液態(tài)光敏樹脂的特定區(qū)域固化，從而形成模型的一層截面 ; 隨后控制升降臺(tái)下降微小的距離，讓固化層上覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，并同時(shí)進(jìn)行第二層掃描，此時(shí)，第二固化層將牢固地粘結(jié)在前一固化層上，以此步驟反復(fù)進(jìn)行，從底部逐層生成物體。

( 2) 聚合物噴射 。成型原理與熔融沉積成型有點(diǎn)類似，不過噴頭噴出的不是熱塑性的絲狀耗材，而是液態(tài)的光敏高分子，同時(shí)需要一個(gè) UV 紫外燈作為固化源 。當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺(tái)上后，UV 紫外燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出紫外光對(duì)光敏聚合物進(jìn)行固化 。當(dāng)完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺(tái)會(huì)精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化，如此循環(huán)直到打印完成 。當(dāng)打印成型過程結(jié)束后，只需使用水槍就可以十分容易地把這種支撐材料去除，而最后留下的是擁有整潔光滑表面的成型產(chǎn)品。

3D 打印作為一種具有廣闊發(fā)展前景的工藝，在短短的三 十多年發(fā)展時(shí)間里，已經(jīng)覆蓋了醫(yī)學(xué)、建筑、機(jī)械加工制造等各個(gè)領(lǐng)域 。高分子材料作為 3D 打印中應(yīng)用較廣的材料之一，具有熱塑性好、耐磨損、抗腐蝕、光滑有色澤等諸多優(yōu)點(diǎn) 。在進(jìn)行 3D 打印時(shí)，也需要結(jié)合不同高分子材料的種類、特性，對(duì)打印工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高打印技術(shù)，切實(shí)保障3D 打印產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考資料：試論高分子 3D 打印材料和打印工藝，邢珂等

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦醫(yī)用高分子）：高分子3D打印材料和打印工藝