3d打印对材料学的要求（高分子3D打印材料和打印工艺简介）

3d打印对材料学的要求（高分子3D打印材料和打印工艺简介）近年来，３Ｄ打印技术获得了突飞猛进的发展，新的高分子打印材料和打印技术层出不穷，然而，高分子的３Ｄ打印领域仍然面临一系列的问题和挑战，具体表现为：（１）目前的高分子３Ｄ打印材料普遍价格高昂，１ｋｇ打印材料价格少则近百元，多则数万元，与之相比，传统制造技术所用的原料价格则较为低廉；（２）由于需要与特定的打印工艺配合，这些高分子材料的研发通常倾向于牺牲材料本身的力学性能、热稳定性、耐候性等性质，而尽量确保材料的可加工性，因此打印产品的性能与传统制造技术制备的产品有一定差距；（３）目前对高分子３Ｄ打印材料及其打印技术的开发仍处于较为初始且无序的阶段，较少研究深入探索打印材料结构、性质和打印技术的关系，缺乏质量测试程序和方法的开发，同时也很少建立３Ｄ打印材料和打印技术相关的规范性标准；（４）为了使３Ｄ打印技术实现更多领域的应用，就需要不断开发出新的可打印材料和打印技术，以满足关键领域的增材制造的需

光敏树脂及其主要打印工艺

1、 3D打印用光敏树脂

光敏树脂是一种在原料状态下为稳定液态的打印材料，这些树脂通常包括聚合物单体、预聚体和紫外光引发剂等组分，在打印过程中，紫外激光的照射能令其瞬间固化。因此，这类打印耗材有很好的表干性能，成型后表面平滑光洁，产品分辨率高，细节展示出色，质量甚至超过注塑产品。这些突出的优势令光敏树脂成为高端、艺术类３Ｄ打印制品的首选材料。然而，目前的光敏树脂成本依旧偏高，且机械强度、耐热和耐候性大多低于ＦＤＭ 用的工程塑料耗材，在一定程度影响了材料的应用范围。当前已经报道的３Ｄ打印用光敏树脂种类繁多，研发也较为活跃，但能够进入实用商业化的较为有限，主要种类有环氧丙烯酸酯类、不饱和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯等，这些树脂均有各自不同的优势和不足，其中，环氧丙烯酸酯具有固化后硬度高、体积收缩率小、化学稳定性好等优点，但黏度偏大，不利于成型加工；而不饱和聚酯粘度适宜且容易成型，但固化后硬度和强度较差，容易收缩；聚氨酯丙烯酸酯具有较好的韧性、耐磨性和光学性能，但其聚合活性和色度控制较为困难。因此，商业化的光敏树脂往往为多种光敏聚合物的组合，以达到取长补短的效果。例如，黄笔武等采用脂环族缩水甘油酯、双酚Ａ型环氧树脂、环氧丙烯酸酯、脂环族环氧树脂、１，４－环己基二甲醇二乙烯基醚、聚丙二醇二缩水甘油醚二丙烯酸酯与适当引发剂共混，制备了黏度适中，光敏性较好，固化物体积收缩率小，且具有较好力学性能和热性能的新型光敏树脂。

作为最早出现的快速成型制造工艺，ＳＬＡ经过了长期的商业化检验，在工艺本身和材料开发上都具有较高的成熟度。其原材料的利用率将近１００％，尺寸精度很高，表面质量优良，可以制作结构十分复杂的模型，是目前高端３Ｄ打印设备与工艺品３Ｄ打印的主流技术。然而该工艺也存在一定的缺点，如设备造价高昂，使用和维护成本过高；打印材料必须具有光敏特性，价格昂贵，实用化种类有限，制备工艺较为复杂；且这些光敏聚合物成型后，强度、耐热性和对光照射的抵抗力普遍较差，难以长时间保存。

聚合物喷射（ＰｏｌｙＪｅｔ）也是以光敏树脂为打印材料的打印工艺，成型原理与ＦＤＭ 有点类似，不过喷头喷出的不是热塑性的丝状耗材，而是液态的光敏高分子，同时需要一个ＵＶ紫外灯作为固化源。一般地，当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，ＵＶ紫外灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光对光敏聚合物进行固化。当完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化，如此循环直到打印完成（见图４）。如果需要支撑材料，产品成型的过程中可以使用两种不同类型的光敏树脂，一种是用来生成实际模型的材料，另一种是胶状水溶性的树脂，用来作为支撑。这种支撑材料可以精确地添加到复杂成型结构模型所需的位置，同时当打印成型过程结束后，只需使用水枪就可以十分容易地把这种支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型产品。

与ＳＬＡ技术类似，使用ＰｏｌｙＪｅｔ技术成型的产品精度非常高，且支撑材料容易清除，表面质量优异，可以制备非常复杂的模型，同时与ＳＬＡ相比，其设备的成本和操作难度均相对较低，更有利于高质量３Ｄ打印产品的普及。然而，由于需要使用光敏聚合物，ＰｏｌｙＪｅｔ技术仍然面临和ＳＬＡ技术类似的问题，如耗材成本较高，产品的力学强度、耐热和耐候性都相对较差等。

3 结语

近年来，３Ｄ打印技术获得了突飞猛进的发展，新的高分子打印材料和打印技术层出不穷，然而，高分子的３Ｄ打印领域仍然面临一系列的问题和挑战，具体表现为：（１）目前的高分子３Ｄ打印材料普遍价格高昂，１ｋｇ打印材料价格少则近百元，多则数万元，与之相比，传统制造技术所用的原料价格则较为低廉；（２）由于需要与特定的打印工艺配合，这些高分子材料的研发通常倾向于牺牲材料本身的力学性能、热稳定性、耐候性等性质，而尽量确保材料的可加工性，因此打印产品的性能与传统制造技术制备的产品有一定差距；（３）目前对高分子３Ｄ打印材料及其打印技术的开发仍处于较为初始且无序的阶段，较少研究深入探索打印材料结构、性质和打印技术的关系，缺乏质量测试程序和方法的开发，同时也很少建立３Ｄ打印材料和打印技术相关的规范性标准；（４）为了使３Ｄ打印技术实现更多领域的应用，就需要不断开发出新的可打印材料和打印技术，以满足关键领域的增材制造的需求。因此，当前对高分子３Ｄ打印材料及其打印技术的研发，应当逐渐进入标准化、体系化的轨道，完善已有高分子３Ｄ打印材料及其打印技术的标准，同时加大原有材料改性和新材料的研究和产业化，努力提升高分子３Ｄ打印材料产品的质量并降低成本。可以相信，由于性能上的诸多优势和较为成熟的研发基础，高分子材料及其打印技术能够在未来的３Ｄ打印行业中继续占据主流地位。