高分子3D打印材料研发短板待补齐
■ 黑龙江鑫达研发总监 崔成杰
可采用数字化手段快速加工、赋予产品个性化和复杂性等优点，使3D打印技术适用于新产品的开发、少量及复杂零件的加工，也适用于难铸造产品加工、外观设计检查和满足快速生产需求，解决了模具对传统加工行业的限制，同时避免了传统加工的切割、打磨和腐蚀等处理过程，减少了产品制作周期和降低生产成本。打印材料是3D打印制造的基础，开发性能优异的3D打印材料是推动行业进一步发展的强大动力。本文将围绕3D打印材料的发展及存在问题展开论述。
高分子材料成最抢手耗材
3D打印材料主要包括高分子材料、金属材料和陶瓷材料等。由于高分子材料的热塑性、流动性和快速冷却粘结等特点，使其成为3D打印中消耗量最大、应用最广泛的加工耗材。由于加工工艺的特殊性，3D打印需要加工材料具有多种重要性能，如可塑性强、耐热、耐磨损等。目前，3D打印高分子材料主要有高分子线材和高分子粉末等。
1． 3D打印高分子线材
高分子线材即高分子线型材料，适用于熔融沉积成型（FDM）打印技术，主要有丙烯腈丁二烯苯乙烯材料（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（PETG）和聚醚醚酮（PEEK）等。
ABS分子链中苯乙烯充当刚性链段，丙烯腈和丁二烯为柔性链段，因此ABS材料具有韧性好、强度高、耐磨损的特点，是目前3D打印使用最多的工程塑料。ABS材料一般打印温度为230℃左右，以其为原料的产品不仅强度和韧性较好，且产品颜色种类丰富。但是，ABS塑料在打印完毕后遇冷收缩明显，所得制品会发生一定程度的变形，为改善这种情况的发生，中国鑫达采用加入助剂的方法对ABS材料进行改性，以此降低ABS产品成型过程的收缩率，使ABS塑料能够更好地应用于3D打印技术中。
PLA作为3D打印材料具有成型好、外观圆润和收缩程度小的特点。与ABS相比，PLA打印过程中没有刺激性气味产生，但打印的制品韧性较差，容易碎裂，需要对材料进行增韧处理才能满足打印产品的质量要求。
PCL是另外一种较为重要的可降解材料，是由ε-己内酯开环聚合而成，具有优异的生物降解性、生物相容性和无毒性，被广泛用于医疗领域。PCL的熔点相对较低，只有60℃左右，和大部分生物材料一样，人们常常把它用于特殊用途，例如药物传输设备或是用来打印心脏支架等制品。同时，PCL还具有形状记忆特性，在3D打印中，由于材料熔点低，所以不需要特别高的打印温度，因此具有环保、节能的特点。
PC具有高强度、耐热、抗冲击等工程塑料的多种优良特性，其机械强度高出ABS塑料60%以上，广泛应用于汽车、家电行业、航空航天及电子产品领域。PC塑料颜色单一，可以通过加入色料和后期上色等方法处理。价格偏高是限制PC塑料在3D打印领域中广泛使用的一个重要原因，为获得高性价比的材料，一般采用与其他廉价材料共混的方法降低成本，如与ABS塑料共混，不仅可以压缩成本，同时还能有效减小ABS塑料的收缩率。
PETG是一种透明、非晶的生物型共聚酯，近年来才应用于3D打印领域中。PETG具有十分突出的韧性和高抗冲击强度，且打印加工温度低，几乎无气味产生，兼具了ABS和PLA许多的优良特性，因此PETG在3D打印产业当中具有广阔的发展潜力。
PEEK具有较强的耐磨性、相容性、稳定性以及杨氏模量，是理想的人工骨骼替换材料，适合长期植入人体。基于FDM的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理相对简单，是与PEEK材料结合制造仿生人工骨的首选加工手段。
2． 3D打印高分子粉末
3D打印高分子粉末材料适用于选择性激光烧结（SLS）技术。任何加热后能融化、粘结的粉末状材料都可以采用SLS技术加工。根据这个特点，除了高分子粉末以外，金属粉末和陶瓷以及其他的无机粉末材料也都可以采用SLS技术加工。与其他材料相比，高分子粉末3D打印过程耗能小，工艺过程简单、产品质量优异，因此高分子粉末成为了SLS加工的主要材料。制备高分子粉末的方法主要有机械深冷粉碎、悬浮及乳液聚合法和溶剂沉淀法等。以下介绍两种常用的3D打印粉材，尼龙（PA）和热塑性聚氨酯（TPU）
PA材料有很好的抗冲击性、化学稳定性，不仅强度高，同时也具备一定的柔韧性，因此可以直接利用3D打印制造设备零件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件，具有很高的韧度，可用于机械工具代替金属配件。基于PA类的工程塑料进行3D打印样件，可用于制作发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。使用PA材料代替传统的金属材料，有利于解决汽车轻量化问题。
TPU材料具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性。采用SLS激光烧结技术，结合更为弹性轻质的TPU粉末成型，既能保证打印时制品所需的强度，又可提供出色的柔软度及缓冲回弹性能，已应用于增材制造领域的鞋材、服装配饰等。
3． 3D打印光敏树脂材料
光敏树脂是一种应用于光固化快速成型技术的材料，其本身并不是高分子材料，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。其成型原理是在紫外光照射下（波长范围250～300nm），引发聚合反应使齐聚物转变为高聚物，从而固化成型。光敏树脂适用于立体平板印刷（SLA）技术，由于含有低沸点组分和光引发剂，为了保证光敏树脂的固化性能和加工精度，对原料的妥善保存显得尤为重要，这势必增加生产和环境的维护成本。另外，3D打印光敏树脂制品的机械性能、耐候性和耐热性等都要比工程塑料差，因此，开发高性能的光敏树脂，提高产品质量是3D打印产业发展的一项重要工作。目前，已报道的光敏树脂种类繁多，主要有聚氨酯丙烯酸酯类、不饱和聚酯和环氧丙烯酸酯类等材料。
材料研发需标准化、规范化
目前，3D打印已经在工业制造、军事、建筑、艺术、珠宝、医疗等领域得到了广泛应用，近些年来成为各国大力研究的热点。欧美及日韩等国进入3D打印行业较早，已经积累了大量的技术和专利成果，目前处于技术相对成熟阶段。但3D打印是一项新技术，我国在3D打印方面与国外先进技术相比差距不大，甚至在一些领域还处在世界领先地位。在国家政策的支持和引导下，我国各研究机构和企业单位也加大了在3D打印领域的投入，加快新技术、新材料的开发和应用，增强和保持3D打印技术的优势项目，尽快弥补不足，这对我国实现制造强国和科技兴国战略具有重要意义。
我国已有一批在3D打印领域的实践先行者，如始创于1985年的中国鑫达正在加大对3D打印领域的业务布局，不断加强及巩固自身在工业领域及3D打印细分领域的领先地位。
3D打印的实际应用领域正在快速增长，每天都有新的材料被开发出来，但材料仍然是制约3D打印发展壮大的一个关键因素。在价格方面，3D打印材料与传统加工行业用料相比更加昂贵；在加工方面，3D打印材料操作窗口窄，加工尺寸和精度不及传统大规模生产制品，有时为了提高材料的可加工性，会牺牲材料的部分力学性能；在理论方面，目前对3D打印材料的研究仍处于探索阶段，还没有建立完善的材料分子结构、打印技术和产品质量的关系；在行业标准方面，3D打印材料缺乏质量检测标准，国内外现在还没有建立统一的认证体系。
因此，对于3D打印材料的研发，应该加速向标准化、规范化，加大打印材料的研发力度和理论认知，努力提高材料的质量和降低成本，扩大社会对3D打印的认可程度，充分利用3D打印产业的发展带动我国制造业跨越式的发展，助推我国实现科技强国的战略目标。