3D打印与高分子材料综述

适应3D打印技术的高分子材料研究进展杨洋2111606092CONTENTS3D打印技术简介01•高分子材料的应用02•结语031.3D打印技术简介3D打印技术是指由数字模型（CAD）直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等可粘合材料，在快速成形设备里通过逐层叠加的方式来构造物理实体的技术。什么是3D打印技术？3D打印技术机械工程控制工程光学热学软件材料科学涉及领域不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但都是基于离散堆积原理——分层制造，逐层叠加。基本原理基本流程设计三维模型把三维数字模型离散为面、线和点再通过3D打印设备分层堆积三维的实物WPS演示助您快速创建极具感染力的演示文稿，打造令人震撼的影院效果。类型累计技术基本材料挤压熔融沉积式(FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料线电子束自由成形制造(EBF)几乎任何合金粒状直接金属激光烧结（DMLS）几乎任何合金电子束熔化成型（EBM）钛合金选择性激光熔化成型(SLM)钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝选择性热烧结（SHS）热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末粉末层喷头3D打印石膏3D打印(PP)石膏层压分层实体制造（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜光聚合立体平板印刷（SLA）光硬化树脂数字光处理(DLP)光硬化树脂3D打印工艺•1.熔融沉积式(FDM）*•2.选择性激光烧结（SLS）*•3.选择性热烧结（SHS）•4.分层实体制造（LOM）•5.立体平板印刷（SLA）熔融沉积式(FDM）通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.25~0.50mm。**云虹，郭毕佳快速成型技术的典型方法比较[J]，武汉纺织工学院学报，19960206.选择性激光烧结（SLS）SLS技术是一种使用高功率激光（如二氧化碳激光）的添加制造技术，其原理如图所示。将很小的材料粒子融合成团块，形成所需要的三维形状。高功率激光根据三维数据（如制作的CAD文件或扫描数据）所生成的切面数据，选择性地融化粉末层表面的粉末材料，然后每扫描一个粉末层，工作平台就下降一个层的厚度，一个新的材料层又被施加在上面，这个过程一直重复至完成制造。**张桂兰.解密3D打印[J].印刷技术,2013/10选择性热烧结（SHS）SHS机的工作过程与SLS机类似，不同的是，SHS机使用的是热敏打印头，而非激光打印头。热敏打印头将热量供给构建室中的热塑性粉末层，即可形成任意复杂的几何形状。其每层的厚度为0.1mm，使用的材料为热塑性粉末.**张桂兰.解密3D打印[J].印刷技术,2013/10~分层实体制造（LOM）激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将箔材无轮廓区切割成小碎片。然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层箔材。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。**张桂兰.解密3D打印[J].印刷技术,2013/10~立体平板印刷（SLA）SLA的工作过程如图所示，紫外线激光束通过检流镜驱动，扫描装有液体感光树脂的桶表面，激活聚合反应，树脂硬化形成三维物体的一个固体层。完成一层的构建后，平台将会下降单层厚度（通常0.05～0.15mm）。然后，刀片扫过部件的横截面，为其涂上新的材料，在这个新的液体表面，再由激光束固化出随后一层的图案，合并到前一层。如此反复，就可形成一个完整的3D部件。构建完成后，部件将被浸入化学药液中，以清洗掉多余的树脂，随后在紫外线烘箱内进一步完成产品的固化。**张桂兰.解密3D打印[J].印刷技术,2013/10发展历程1984年-查尔斯•赫尔发明将数字资源打印成三维立体模型的技术-打印出小水杯。1986年-查尔斯•赫尔命名他发明的技术叫立体光敏成型技术，并以此获得了专利1988年-斯科特•克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）。1989年-斯科特•克伦普成立了Stratasys公司。1991-Helisys售出第一台叠层法快速成型（LOM）系统。1992-Stratasys公司售出首台基于FDM技术的“三维建模”机器。1992年-DTM售出首台选择性激光烧结（SLS）系统。发展历程2005年–ZCorp.推出的SpectrumZ510。这是市场上第一台高清彩色三维打印机。2008年–第一个基于Reprap的3D打印机面世。它可以打印自身所需部件中的约50%。2008-ObjetGeometries公司推出其革命性的Connex500™快速成型系统，它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机。2010年12月8日–Organovo公司，一个注重生物打印技术的再生医学研究公司，公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据资源。2012年3月-维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术（two-photonlithography）突破了3D打印的最小极限，展示了一辆不到0.3mm的赛车模型。2013年11月-美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。为什么发展如此之快2.高分子材料*常用的3D打印材料可分为金属、无机非金属和聚合物材料三大类。*其中用量最大、应用最广、成型方式最多的材料为聚合物材料。*不同于传统成型工艺，3D打印对聚合物材料的性能和适用性提出了更高的要求。需要材料具有合适的固-液-固加工窗口，即在加工时具有流动性，成型后又能快速通过凝固，聚合和固化等方式粘结为具有良好的机械强度和设定功能的材料。常用的材料有高分子粉末，高分子丝材，光敏树脂，和高分子凝胶等聚合物。2.1高分子粉末材料的制备高分子材料具有粘弹性，在常温下粉碎时，产生的粉碎热会增加其粘弹性，使粉碎困难，同时被粉碎的粒子还会重新粘合而使粉碎效率降低，甚至会出现熔融拉丝现象，因此不能用常规粉碎法。低温粉碎法基本原理：在低温下高分子材料有一脆化温度Tb，当温度低于Tb时，物料变脆，有利于采用冲击式粉碎方式进行粉碎。低温粉碎法正是利用高分子材料的这种低温脆性来制备粉末材料的。适用材料：常见的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低温粉碎法制备粉末材料。制备微米级高分子粉末方法溶剂沉淀法低温粉碎法制备高分子粉末材料时，首先将原料冷冻至液氮温度（-196℃），将粉碎机内部温度保持在合适的低温状态，加入冷冻好的原料进行粉碎。粉碎温度越低，粉碎效率越高，制得的粉末粒径越小，但制冷剂消耗量大。可根据原料性质而定，对于脆性较大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类，粉碎温度可以高一些，而对韧性较好的原料如聚碳酸酯、尼龙、ABS等则应保持较低的温度。粉碎温度的确定低温粉碎法工艺较简单，能连续化生产；但需专用深冷设备，投资大，能量消耗大。而且制备的粉末颗粒形状不规则，粒度分布较宽。特点基本原理：溶剂沉淀法是将聚合物溶解在适当的溶剂中，然后采用改变温度或加入第二种非溶剂等方法使聚合物以粉末状沉淀出来。适用材料：特别适合于具有低温柔韧性的高分子材料，这类材料较难低温粉碎，细粉收率很低，如尼龙。溶剂沉淀法尼龙12粉末制备工艺制备的粉末微粒形状接近于球形，可以通过控制工艺条件生产出所需细度的粉末。一般来说，溶剂的用量越大，粉末粒径越小。2.2高分子丝材高分子丝材是适用于FMD型3D打印机的主要耗材，应满足于高机械强度，低收缩率，适合熔融温度和无毒环保等要求。主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），聚乳酸（PLA），聚碳酸酯（PC），聚苯砜（PPSF），聚醚醚酮（PEEK）等。2020/9/21高分丝材ABS材料材料说明：ABS是一种高强度材料，具有强度高，韧性好，耐冲击，易加工等优点，以及良好的电绝缘性，抗腐蚀性能，耐低温性能和表面着色性能等材料应用：家用电器，汽车工业，玩具工业材料颜色：白色、黑色、深灰、红色、蓝色材料热变形温度：86℃市场价位：20元-50元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材ABSPlus材料材料说明：ABSplus材料是Stratasys公司研发的专用3D打印（FDM）热塑性工程塑料，ABSplus的硬度比ABS材料大40%，具备强度高、韧性好，耐冲击。可以进行机械加工、钻孔、螺纹、喷漆及电镀。材料应用：汽车、家电、电子消费品材料颜色：象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色、亮黄色、橄榄绿色材料热变形温度：90℃市场价位：50元-100元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材ABS-M30i材料材料说明：ABS-M30i是一种高强度材料，广泛应用于医疗，制药及食品包装行业。ABS-M30i制作的样件通过了生物相容性认证，伽马射线照射及EtO灭菌测试。材料应用：医学研究、食品包装、医疗器械材料颜色：白色材料热变形温度：90℃市场价位：50元-100元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材ABS-ESD防静电塑料材料材料说明：ABS-ESD7是一种基于ABS-M30的热塑性工程塑料，具备静电消散性能，可以用于防止静电堆积。主要用于易被静电损坏、降低产品性能或引起爆炸的物体。因为ABS-ESD7防止静电积累，因此它不会导致静态震动也不会造成粉末、尘土和微粒的微小颗粒的物体表面吸附。材料应用：电子消费品、包装行业材料颜色：黑色材料热变形温度：90℃市场价位：50元-100元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材ABSI材料材料说明：ABSI材料具备汽车尾灯的效果，具有很高的耐热性，高强度，呈琥珀色，能很好的体现车灯的光源效果。材料应用：汽车、LED材料颜色：半透明材料热变形温度：86℃市场价位：50元-100元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材PC材料材料说明：PC材料是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性，高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲。使用PC材料制作的样件，可以直接装配使用，广泛应用于交通工具及家电行业。PC材料的强度比ABS材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性。材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械材料颜色：白色材料热变形温度：138℃市场价格：20元-42元/千克2020/9/212020/9/21高分子丝材ULTEM9085--PEI材料ULTEM9085--PEI塑胶是一种在性能上同时具备耐磨性能与高温机械性能的塑料，所以它能够被利用于输水管转阀的一些阀件制作。也因为PEI塑胶它本身所拥有的耐热性能和柔韧性能，以及高强度，故此，在涂层和成膜时，也被选为制作材料的首选，而且还可以自动形成适合用作电子产品工业的涂层和薄膜。同时PEI，以其本身的各种结构，也能当做一般耐高温塑胶的沾粘剂。材料颜色：琥珀色材料热变形温度：153℃市场价位：64.8元-99元/千克2020/9/212020/9/21光敏树脂WBSLA2820激光快速成型光敏树脂材料说明：WBSLA2820激光快速成型光敏树脂是一种用于SLA成型机的低粘度液态光敏树脂，能制作耐用、坚硬、防水的功能零件。用此材料制作的样件呈半透明状。应用范围：WBSLA2820激光快速成型光敏树脂性能优越，该材料类似于传统的工程塑料（包括ABS和PBT等）。它能被理想的应用在汽车、医疗器械,日用电子产品的样件制作,还被应用到水流量分析,室温硫化硅橡胶模型、可存放的概念模型、风管测试、快速铸造模型的方面。材料性质：液态外观：透明粘度：270cps（30℃）密度：1.13g/cm3（25℃）市场价位：600-6