解析高分子3D打印材料和打印工艺

　　3D打印技术与传统材料加工技术相比有许多突出的优势，吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。目前制约３Ｄ打印技术发展的因素主要有两个：打印工艺和打印材料。高分子聚合物在3D打印材料中占据主要地位。当前3D打印常用的高分子材料（热塑性高分子和光敏树脂）和与之相适应的打印工艺，并对它们的特性和优缺点进行了评述，看一下了这些3D打印材料和工艺的开发面临的问题和挑战。
      
　　3D打印技术与传统的材料加工技术相比，3D打印技术有许多突出的优势，具体表现在：
　　１）可以实现数字化制造，3D印借助建模软件将产品结构数字化，然后驱动机器设备加工制造成器件，由于数字化文件可借助网络进行传递，从而可以实现异地分散化制造的生产模式；
　　２）3D打印技术可以使三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品，因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，从根本上解决了传统制造受制于模具的缺陷；
　　３）3D打印可以利用“从下而上”的堆积方式，对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势；
　　４）3D打印技术有利于小规模生产和个性化订制，属于脑力密集型行业，对生产场地要求低，环保且低能耗；
　　５）3D打印能够实现“设计即生产”，可以更快捷回应市场需求。
　　因此，近年来3D打印技术获得了迅猛发展，已经在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、饰等领域都得到广泛应用，同时吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。我国政府部门也开始关注并制订3D打印技术的发展规划，如工信部、发改委、财政部于2015年２月印发《增材制造产业发展推进计划（2015－2016年）》，对３Ｄ打印的发展做出了政策上的推动。可见，3D打印技术必将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。
　　３Ｄ打印技术内容涵盖广阔，涉及的技术包括ＣＡＤ建模、３Ｄ测量、接口和切片软件、数控程序、打印工艺、机械设计、３Ｄ打印材料等。其中，现阶段制约３Ｄ打印技术发展的因素主要有两个：打印工艺（技术方法）和打印材料。同时，打印工艺和打印材料之间存在密不可分的关系，特定的打印工艺只能适合于打印特定的打印材料，而特定的打印材料则需要利用特定的打印工艺才能成功实现３Ｄ成型。以塑料为代表的高分子聚合物具有在相对较低温度下的热塑性，良好的热流动性与快速冷却粘接性，或在一定条件（如光）的引发下快速固化的能力，因此在３Ｄ打印领域得到快速的应用和发展。同时，高分子材料的粘结特性允许其能够与较难以成型的陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成全新的复合材料，从而大大扩展３Ｄ打印的应用范围。因此，高分子材料成为目前３Ｄ打印领域基本的和发展为成熟的打印材料，接下来我们主要介绍和讨论了常用高分子３Ｄ打印材料及对应的打印技术。
　　热塑性高分子及其主要打印工艺
　　３Ｄ打印用热塑性高分子
　　热塑性的高分子聚合物很容易进行挤出、吹塑和注射加工，因此成为３Ｄ打印高分子材料中开发为成熟的类型，这些材料包括多种工程塑料和生物塑料，在打印材料制备时一般以丝状的耗材出现。工程塑料是目前应用范围较广的３Ｄ打印材料，这类材料具有良好的机械强度和耐候性，热稳定性也比较理想，因此，以这些材料打印出的产品能够用于大多数工业和民用场合，典型的３Ｄ打印用工程塑料有丙烯腈－丁二烯－苯乙共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（尼龙，PA）等。ABS是早用于熔融沉积成型（FDM）技术的材料，目前也是ＦＤＭ打印工艺领域常用的热塑性耗材。
　　该材料打印温度为210－260℃，玻璃转化温度为105℃，打印时需要底板加热。ABS具有相当多的优点，如强度较高、韧性较好、耐冲击、绝缘性能好、抗腐蚀、耐低温、容易出丝和着色等，其打印产品质量稳定，强度也较为理想。然而，ABS打印时需要加热，同时这种材料遇冷收缩特性明显，在温度场不均匀的情况下，可能会从加热板上局部脱落，造成翘曲、开裂等质量问题，此外其打印时可能产生强烈的气味。为了改善ＡＢＳ打印的成型质量，许多研究者进行了３Ｄ打印用ＡＢＳ耗材的改性工作，往ＡＢＳ中加入填充材料或对其进行共混改性是提高其打印性能的有效途径。
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