3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)相比,3D打印技術(shù)有許多突出的優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)在:
1)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造,3D印借助建模軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化,然后驅(qū)動(dòng)機(jī)器設(shè)備加工制造成器件,由于數(shù)字化文件可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞,從而可以實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式;
2)3D打印技術(shù)可以使三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu),逐層累加形成三維物品,因此,原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu),從根本上解決了傳統(tǒng)制造受制于模具的缺陷;
3)3D打印可以利用“從下而上”的堆積方式,對(duì)于實(shí)現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢(shì);
4)3D打印技術(shù)有利于小規(guī)模生產(chǎn)和個(gè)性化訂制,屬于腦力密集型行業(yè),對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地要求低,環(huán)保且低能耗;
5)3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”,可以更快捷回應(yīng)市場(chǎng)需求。
因此,近年來(lái)3D打印技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展,已經(jīng)在工業(yè)造型、機(jī)械制造、軍事、建筑、影視、家電輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用,同時(shí)吸引了國(guó)內(nèi)外工業(yè)界、投資界、學(xué)術(shù)界、新聞媒體和社會(huì)公眾的熱切關(guān)注。我國(guó)政府部門也開(kāi)始關(guān)注并制訂3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃,如工信部、發(fā)改委、財(cái)政部于2015年2月印發(fā)《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》,對(duì)3D打印的發(fā)展做出了政策上的推動(dòng)。可見(jiàn),3D打印技術(shù)必將成為下一個(gè)具有廣闊前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。
3D打印技術(shù)內(nèi)容涵蓋廣闊,涉及的技術(shù)包括CAD建模、3D測(cè)量、接口和切片軟件、數(shù)控程序、打印工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)、3D打印材料等。其中,現(xiàn)階段制約3D打印技術(shù)發(fā)展的因素主要有兩個(gè):打印工藝(技術(shù)方法)和打印材料。同時(shí),打印工藝和打印材料之間存在密不可分的關(guān)系,特定的打印工藝只能適合于打印特定的打印材料,而特定的打印材料則需要利用特定的打印工藝才能成功實(shí)現(xiàn)3D成型。以塑料為代表的高分子聚合物具有在相對(duì)較低溫度下的熱塑性,良好的熱流動(dòng)性與快速冷卻粘接性,或在一定條件(如光)的引發(fā)下快速固化的能力,因此在3D打印領(lǐng)域得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí),高分子材料的粘結(jié)特性允許其能夠與較難以成型的陶瓷、玻璃、纖維、無(wú)機(jī)粉末、金屬粉末等形成全新的復(fù)合材料,從而大大擴(kuò)展3D打印的應(yīng)用范圍。因此,高分子材料成為目前3D打印領(lǐng)域基本的和發(fā)展最為成熟的打印材料,接下來(lái)我們主要介紹和討論了常用高分子3D打印材料及對(duì)應(yīng)的打印技術(shù)。
1熱塑性高分子及其主要打印工藝
1.13D打印用熱塑性高分子
熱塑性的高分子聚合物很容易進(jìn)行擠出、吹塑和注射加工,因此成為3D打印高分子材料中開(kāi)發(fā)最為成熟的類型,這些材料包括多種工程塑料和生物塑料,在打印材料制備時(shí)一般以絲狀的耗材出現(xiàn)。工程塑料是目前應(yīng)用范圍較廣的3D打印材料,這類材料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐候性,熱穩(wěn)定性也比較理想,因此,以這些材料打印出的產(chǎn)品能夠用于大多數(shù)工業(yè)和民用場(chǎng)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(尼龍,PA)等。ABS是最早用于熔融沉積成型(FDM)技術(shù)的材料,目前也是FDM打印工藝領(lǐng)域最常用的熱塑性耗材。
該材料打印溫度為210-260℃,玻璃轉(zhuǎn)化溫度為105℃,打印時(shí)需要底板加熱。ABS具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn),如強(qiáng)度較高、韌性較好、耐沖擊、絕緣性能好、抗腐蝕、耐低溫、容易出絲和著色等,其打印產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,強(qiáng)度也較為理想。然而,ABS打印時(shí)需要加熱,同時(shí)這種材料遇冷收縮特性明顯,在溫度場(chǎng)不均勻的情況下,可能會(huì)從加熱板上局部脫落,造成翹曲、開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題,此外其打印時(shí)可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣味。為了改善ABS打印的成型質(zhì)量,許多研究者進(jìn)行了3D打印用ABS耗材的改性工作,往ABS中加入填充材料或?qū)ζ溥M(jìn)行共混改性是提高其打印性能的有效途徑。