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3D打印材料发展现状及未来方向!(聚合物、陶瓷、金属、仿生材料)

时间:2021-11-02 08:28 来源:腾讯 作者:admin 阅读:
极光尔沃

      3D打印,是一种增材制造方法,相对于传统机械加工“减材制造”技术而言,是一项制造业领域的技术革命,展现了新时代个性化创造的活力和潜力。3D打印技术起源于美国,这项新技术的出现,不仅给予了创新主体一个全新的视角,同时也吸引了大众的高度关注。3D打印技术在20世纪末期逐渐得到推广,又被称为第3次工业革命的重要标志之一。该技术可以应用到生产加工、建筑工程等领域,利用该技术制造材料,不用加工模具和大型机械设备,甚至不用在大型工厂便可进行生产,3D打印技术将会改变社会发展的方向,并会大大丰富人类社会的生活方式。

      3D打印材料制造技术的内核以计算机3D设计为基础,再将设计得到的三维模型进行离散分层,后又经由特定的设备将分层离散的材料进行堆积、粘结,进而得到最终的产品。最近,国内外的科研工作者针对3D打印技术中的几何计算问题,又创新出了多种新的方法,包括物体分割、平衡性重心优化和轻量化等方法。3D打印技术是一门多学科交叉科学,综合了数字建模、材料化学、机电控制化学等诸多学科,利用该技术可以达到材料的快速成形。材料是3D打印技术的关键,3D打印材料的制备技术,生产材料的设备构造,以及得到材料的具体性能,都与材料有关。材料既决定了3D打印的应用趋势,也决定了3D打印的发展方向。目前,3D打印的材料包括聚合物、金属和陶瓷等,并且近年来也出现了一些新兴的材料。

一、聚合物材料

聚合物材料的强度好、韧性较高,并且成本低廉,长期以来都是3D打印的明星材料,在各个领域均有应用。聚合物材料主要包括塑料类材料、光敏树脂材料等。

1.塑料类材料

目前最常用的塑料类材料为聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂。首先,ABS树脂材料被称为绿色材料,其材料强度高、韧性好、热塑性强、耐冲击性优良,并且可以通过添加添加剂对材料的颜色进行选择,是3D打印技术中得以广泛应用的材料,如桌面式打印机最常采用的就是ABS材料。其次,PC由于其在某些方面的优异性能,近期也是炙手可热的3D打印材料。同ABS树脂相比,PC的机械强度更高,并且其耐燃性高,使得材料的安全性得以提升、且不易收缩变形,因此在制造强度要求高的产品应用更为广泛。第三,相比前2种塑料类材料,PA在力学性能方面的优势更为明显。PA树脂家族中的PA66塑料材料,在韧性、延展性和耐磨性方面都表现出极好的性能,但是也存在比较明显的劣势,就是熔点高,不易于加工。所以,科研人员常对PA进行改性加工。如在其中加入PVA等改性材料,使得PVA同PA的分子链产生结合,络合形成网络状结构,覆盖PA材料的表面,进而提升PA材料的弯曲强度、分子粘度与内聚力。在商业领域,许多公司的科研工作者研发出了越来越适合应用的塑料类材料。如德国拜耳公司自主研发出的PC2605聚碳酸酯,该产品具有较好的机械强度,能够实现3D打印功能,并应用于机械齿轮、防弹玻璃等领域。

2.光敏树脂材料

光敏(UV)树脂材料是一种常见的3D打印材料,常见的UV树脂就是可以用于3D打印的光敏树脂材料。

      光敏树脂材料一般为液态,是由光引发剂与单体或预聚合物构成的材料,主要由共聚物、添加剂和稀释剂组成,添加剂具体为光引发剂。添加光引发剂,通过一定波长紫外光的照射,可以引发共聚物的聚合反应,使得液态的光敏树脂材料固化,这种过程被称为液态光固化树脂过程,经常应用于立体光固化3D打印技术中。光敏树脂材料的性能类似于ABS树脂,其具有机械强度高、无挥发性气味、适用领域广、便于储存等特点,并且光敏树脂材料的制备过程短,容易固化,成形精度高、表面效果好,适用于光固化成型(SLA)快速成形设备。在250~300nm的激光或紫外线照射的条件下,存在于光敏树脂材料中的光引发剂对紫外线产生吸收作用,进而形成激发态分子,之后便急速分解,触发光敏树脂中的聚合物发生聚合反应。整个引发过程时间短,光敏树脂材料可以在短时间内实现固化。若要提高固化,可以利用3D打印设备对光敏树脂材料进行逐层扫描、逐层堆结,从而得到预期的3D打印成品,实现设计模型的现实化,利用该技术得到的光敏树脂材料,可以制作出成型准确度高的3D打印产品。通过上述可知,UV树脂材料具备很多的优势,是一种很适合进行3D打印的光敏树脂材料,通过这种材料得到的产品表面精度高,可以展现出较好的3D打印产品的细节,并且得到的产品表面细腻,适合在精密材料加工中得以应用,尤其是在精密零件、铸模制造业中的大规模应用。但是其也具有劣势,如与大多数高分子聚合物相比,UV树脂的生产成本较高,是高分子聚合物领域中的“贵族”,所以高昂的制备成本在一定程度上限制了UV树脂材料在3D打印领域中的发展。

目前,光敏树脂材料在3D打印材料领域应用的研究很多,但是还少有其大规模应用于商业领域的报道。可见光敏树脂3D打印材料的商品化路程还有很长一段要走。除了UV树脂外,酸酐、PUA、乙烯基酯树脂等也属于被广泛使用的光敏树脂材料。尤其是酸酐,由于酸酐粘度适中,有利于在3D打印过程中的成型过程,所以比较受研究者的青睐。但是酸酐材料的机械强度低,以此为基材打印出的3D打印材料成型度低、硬度高、容易收缩,不利于得到理想尺寸的模型;相比之下,PUA材料表现出了较好的光学性能、其耐磨性和韧性也较好,然而PUA材料也在某些方面表现出了劣势,其聚合过程不易掌控,着色度也难以控制调节;乙烯基酯树脂材料的化学稳定性好、机械强度高、成型材料不易收缩,是比较好的光敏树脂类3D打印材料。不过乙烯基酯树脂材料的粘度较高,流动性差,在聚合的过程中用时长,不利于成型,给3D打印过程带来了一定程度的困难,影响了产品成型加工。由此可见,酸酐、PUA、乙烯基酯树脂材料有着自身的特性,既有优点,也有缺点,所以,在3D打印材料的选取过程中,为了得到适于应用的光敏树脂材料,扬长避短,尽可能地发挥材料的优势,会采用混合的方式,将不同材料按一定的比例混合使用。

3.新型聚合物材料

      在传统聚合物材料发展的基础上,许多新兴的聚合物材料正逐步走入我们的视野,它们的出现,使得3D打印技术得以迅猛发展。如Shapeways公司最近公布的新型3D打印材料—EP(elastoplastic)。EP材料具有物理性质优良,材质柔软,易于成型的优点。在利用该种材料进行成品制造时,其3D打印成型原理类似于ABS树脂材料的“逐层烧结”原理,即逐层堆积,进而成型。但是相比ABS树脂材料,利用EP材料打印出来的成型品具有较好的弹性,在产品变形后易于恢复原来的形貌,因此可以利用这种材料进行服饰类和手机壳等物品的打印,还可以用于变形产品的打印。EP材料的出现实现了3D打印材料在变形领域的飞跃,解决了传统材料打印出的产品脆性高的难题,实现了在穿戴物品中的大规模应用。杜邦高性能材料公司新研发出了一种3D打印材料,该材料基于聚合物的基础,分别是DupontHytrel热塑性弹性体、DuPontZytel尼龙和DuPontSurlyn高聚物,这3种材料相比传统3D打印材料也表现出了较为出色的性质,更适合在3D打印领域进行应用。

(责任编辑:admin)

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