增材制造是計算機輔助設計、材料加工和成形技術的集成,以數字化模型文件為基礎,通過軟件和數控系統將特制材料逐層固化成型,從而制造出實體產品。不同于傳統的加工模式,它將原材料切割、組裝變成材料累加。這種新的技術特點,使得它受到全世界的廣泛關注,可能會給傳統的制造業帶來深刻的變化。
根據成型技術原理以及所使用材料的不同,增材制造技術可分為激光熔覆成型技術(LCF)、熔融沉積快速成型技術(FDM)、選擇性激光燒結技術(SLS)、立體光固化技術(SLA)、三維印刷成型(3DP)等。在增材制造的各種工藝中,原材料對制品的成型和使用性能將起到決定性的影響,也是目前需要進一步突破的技術瓶頸。增材制造原材料根據材料的化學組成,可分為高分子材料、金屬材料和陶瓷材料。該文分類綜述了常見的增材制造原材料的研究現狀。
1、增材制造高分子材料研究進展
高分子材料是增材制造原材料中用量最大、應用范圍最廣、成型方式最多的材料,主要包括高分子絲材、光敏樹脂及高分子粉末3種形式。
(1)高分子絲材,高分子絲材主要適用FDM技術,目前主要有聚乳酸(PLA)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環乙烷二甲醇酯(PETG)等。
PLA是一種新型的可生物降解的熱塑性樹脂,利用從可再生的植物資料(如玉米)中提取的淀粉原料經發酵過程制成乳酸,再通過化學方法轉化成聚乳酸。PLA最終能降解生成二氧化碳和水,不會對人體及環境帶來危害,是一種環境友好型材料。此外,PLA還具有優良的力學性能、熱塑性、成纖性、透明性和生物相容性,是起初使用得最好的原材料。但它也有缺點,主要表現在當溫度超過50℃時會發生變形,甚至發生軟化,這對使用者帶來很大麻煩。臺灣工業技術研究院開發了一種聚乳酸混合料,使用溫度能達到100℃,使得PLA打印部件的精度得以提高。
具有良好的絕緣性能、抗腐蝕性能、耐低溫性能的ABS絲材,是FDM中最常用的熱塑性工程塑料。閔玉勤等研究發現:ABS絲材除了具有表面易著色、耐沖擊性能高、強度高、韌性好等優點外,還具有成型性能好、制品強度高、韌性好等優點。但也存在一些不足:制品易收縮變形,表面易發生層間剝離及翹曲等現象。仲偉虹研究發現:通過往ABS中加入短玻璃纖維,可以顯著提高采用ABS樹脂的硬度和強度,并降低收縮率,減少制品的變形量；將ABS溶解到丙酮中使用,或者采用發膠噴射能夠避免制品表面發生卷曲現象。
PC是分子鏈中含有碳酸酯基的一類聚合物總稱,是一種性能優良的熱塑性工程樹脂,具有無味、無毒、強度高、抗沖擊性能好、收縮率低等優點,此外還具有良好的阻燃特性和抗污染特性。PC絲材的強度比ABS絲材高出60%左右,具備超強的工程材料屬性。但也存在以下不足:顏色較單一,只有白色;且一般都含有雙酚A,而雙酚A是一種致癌物質,在加熱時會析出被人體吸收,影響人體代謝過程,尤其對嬰幼兒的發育、免疫力危害更大。已有國內廠家選用德國拜耳公司的食品級PC原料制作,不含雙酚A,可用于增材制造。
作為所有熱塑性材料中強度最高、耐熱性最好、抗腐蝕性最強的PPSF絲材,也適用于FDM技術。Stratasys公司于2002年推出了適合FDM技術的工程塑料PPSF,其耐熱溫度為207℃～230℃,適合高溫工作環境。在各種快速成型熱塑性材料中,PPSF的耐熱性、強韌性以及耐化學品性最好。PETG是最近才被應用于增材制造領域的一種新型聚酯,具有優異的光學性能、高光澤表面以及良好的注塑加工性能,此外還有無毒、環保等優良特性。它不僅能解決PLA絲材韌性不足的問題,還能克服ABS絲材易收縮、打印產品尺寸穩定性不佳等問題。目前國內外關于這個材料的研究報道還較少。
(2)光敏樹脂,光敏樹脂是指通過照射一定波長的紫外光即可引發聚合反應,從而實現固化的一類高分子材料。近年來增材制造技術風起云涌, 光敏樹脂也逐漸走向大眾市場。光敏樹脂在SLA、DLP、3DP等成形技術上都有廣泛的應用。與一般固化材料比較,光敏樹脂有很好的表干性能,成型后表面平滑光潔,產品分辨率高,細節展示出色,質量甚至超過注塑產品。這些突出的優勢令其成為高端、藝術類3D打印制品的首選材料。然而,目前光敏樹脂成本依舊偏高,且機械強度、耐熱和耐候性大多低于FDM用的工程塑料耗材,在一定程度影響了材料的應用范圍。
我國對光敏樹脂的研究起步比較晚, 目前主要集中于SLA和DLP成形方面的應用,目前仍存在一些問題:如,制品顏色單一,需要在后期進行上色、組裝等工序,制品制作周期較長。國外已有不少光敏樹脂投入使用,如,DSM公司生產的Somos141200用于SLA成型系統的高速成型,替代傳統的工程塑料ABS制作具有高強度、耐高溫、防水等功能的零件。這類材料外觀呈現為乳白色。與其他耐高溫SLA材料不同的是,光敏樹脂經過進一步高溫加熱后,會明顯提高其拉伸強度,同時保持良好的斷裂伸長率。從而能夠理想地應用于汽車及航空等領域需要耐高溫的重要部件上。而國內很少廠家能夠生產可用于增材制造的光敏樹脂,光敏樹脂大量依靠進口,國內光敏樹脂市場長期被DSＭ等外國公司壟斷,售價極高,如,Somos141200售價高達2000元/kg。而一直處于陶瓷3D打印技術最前沿的美國Tethon3D公司所推出的Porcelite材料,是一種結合了陶瓷材料的光敏樹脂,它既可以像其他光敏樹脂一樣,在SLA打印機中通過UV光固化工藝成型,又可以像陶坯那樣放進窯爐里通過高溫煅燒變成100%的瓷器。最重要的是,這樣處理之后的成品不僅具有瓷器所特有的表面光澤度,而且還保持著光固化3D打印所賦予的高分辨率細節。因此,國內迫切需要研發出高性能的光敏樹脂。
(3)高分子粉末,高分子粉末由于所需燒結能量小、燒結工藝簡單、原型質量好,在SLS成型中被廣泛應用。SLS成型要求高分子粉末具有粉末結塊溫度低、收縮小、內應力小、強度高、流動性好等特點。目前,常見的高分子粉末有聚苯乙烯、尼龍、尼龍與玻璃微球的混合物、聚碳酸酯、聚丙烯、蠟粉等。而一些熱固性樹脂比如,環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂等由于具有強度高、耐火性好等優點,也適用于SLS成型工藝。國內對高分子粉末的研究報道的不多。徐林等通過研究不同鋁粉含量的尼龍-12覆膜復合粉末SLS成型發現:“激光燒結成型后的尼龍與鋁粉表面粘接良好,鋁粉均勻分布在尼龍基體中,成形制品隨著鋁粉含量增加,彎曲強度和模量增加明顯,但抗沖擊強度會稍有下降。可通過提
高鋁粉的含量抑制尼龍基體的收縮,從而提高燒結件的精度”。廣東銀禧科技公開了一項發明專利,通過深冷粉碎+氣流篩選機分級工藝,制備了800～200目的聚丙烯粉末,這種粉末具有良好的燒結性能,型件具有較高的力學性能和尺寸精度。DTM公司的新產品DuraformGF材料,成型件精度更高,表面更光滑,可以制備一些用于防止滲漏的零件。EOS公司目前開發的PA3200GF型尼龍粉末材料,用其制作各種零件,有較好的精度和表面粗糙度。
更多3D打印材料研究現狀，請閱讀增材制造原材料發展現狀介紹（二）
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