困擾全球客戶的3D打印材料技術(shù)難題是如何被攻克的

3D打印，又稱增材制造，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積形成三維實(shí)體的技術(shù)，它對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生了深刻影響，是制造領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。目前，3D打印已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)校教育、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命正在萌發(fā)，世界各國(guó)紛紛將增材制造作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)，推動(dòng)增材制造技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念的加速融合。全球制造、消費(fèi)模式開(kāi)始重塑，增材制造產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)尚存在關(guān)鍵技術(shù)滯后、創(chuàng)新能力不足、高端裝備及零部件質(zhì)量可靠性有待提升、應(yīng)用廣度深度有待提高等問(wèn)題。

目前，我國(guó)高度重視增材制造產(chǎn)業(yè)，將其作為《中國(guó)制造2025》的發(fā)展重點(diǎn)。為貫徹落實(shí)《中國(guó)制造2025》，推進(jìn)我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)快速可持續(xù)發(fā)展，加快培育制造業(yè)發(fā)展新動(dòng)能，2017年11月，國(guó)家十二部委聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017－2020年）》，計(jì)劃內(nèi)容當(dāng)中的基本原則和重點(diǎn)任務(wù)的第一點(diǎn)就是強(qiáng)化創(chuàng)新，提高創(chuàng)新能力。

PLA（Polylactic acid），中文名稱聚乳酸，又名聚丙交酯，以植物（比如玉米、甘蔗）淀粉為主要原料合成的半結(jié)晶型的熱塑性脂肪族聚酯，ρ約為1．24g／cm3，Tg約為60℃，Tm約為175℃，模具成型收縮率為0．2％～0．4％，具有生物可降解性，其降解產(chǎn)物為CO2和H2O，其廢棄物不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，PLA材料的生命循環(huán)PLA材料可通過(guò)傳統(tǒng)的擠出、吹塑、注塑、3D打印等成型方式進(jìn)行加工，被廣泛應(yīng)用于餐具、包裝、3D打印等領(lǐng)域。目前，3D打印成形原理主要包括FDM型／SLS型／SLA型三種，3D打印成型主要由打印機(jī)和材料組成，打印機(jī)是輔助成型的工具，材料才是關(guān)鍵。材料種類和性能的制約，是影響3D打印發(fā)展的重要影響因素，也是目前3D打印材料發(fā)展的現(xiàn)狀。下面主要介紹FDM打印成型所采用的PLA材料，PLA材料是目前很受歡迎的材料，也是FDM打印成型中使用最多的材料，占到70％以上。

PLA材料之所以能被FDM打印成型，其一是因?yàn)橛休^低的收縮率，使得打印成型件的尺寸穩(wěn)定性較好，比如成型件無(wú)翹曲無(wú)開(kāi)裂的現(xiàn)象；其二是因?yàn)槠洵h(huán)保性，包括合成的單體來(lái)源和生物可降解性，使得打印時(shí)沒(méi)有刺鼻的氣味，其廢棄物也可以被降解成對(duì)環(huán)境無(wú)污染的物體；其三是因?yàn)槠漭^弱的結(jié)晶能力，使得材料在打印出料時(shí)的冷卻定型速度與打印機(jī)的供料速度相匹配，進(jìn)而使得打印不會(huì)出現(xiàn)堵塞打印機(jī)噴嘴的現(xiàn)象。

但是，由于PLA材料韌性較差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致PLA材料在打印的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題。比如PLA材料在擠出加工成線條，放置2個(gè)月后，會(huì)出現(xiàn)脆斷或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象，導(dǎo)致客戶在打印的過(guò)程中出現(xiàn)線條卡斷或自動(dòng)斷裂的現(xiàn)象，自動(dòng)斷裂將嚴(yán)重影響正常打印。

PLA線條材料的韌性差，是市場(chǎng)上最為普遍又嚴(yán)重的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，很多公司都在進(jìn)行改性優(yōu)化，但是仍然未有明顯的改善。3D打印機(jī)技術(shù)本身就是一項(xiàng)創(chuàng)新的成型制造技術(shù)，但是如果材料沒(méi)有創(chuàng)新的話，是很難滿足客戶的不同需求的，最終也會(huì)導(dǎo)致3D打印行業(yè)發(fā)展緩慢或終止。

材料韌性差，一般的思維都是直接增韌改性，提高沖擊強(qiáng)度值，這也是傳統(tǒng)改性通用的原理，但是經(jīng)過(guò)很多次的試驗(yàn)驗(yàn)證，3D打印PLA材料即使沖擊強(qiáng)度值通過(guò)改性提高幾倍甚至幾十倍，在從改性顆粒生產(chǎn)成線條后，放置2個(gè)月以上，仍然會(huì)出現(xiàn)發(fā)脆或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象。還有一個(gè)更為重要的問(wèn)題就是增韌劑的大量添加，一方面會(huì)導(dǎo)致打印成型件發(fā)生翹曲的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵鲰g劑的加入提高了材料的收縮率，另一方面會(huì)影響材料的流動(dòng)性，使得打印材料的溫度不得不提高，超過(guò)了PLA材料本來(lái)的打印溫度。

金旸3D研發(fā)團(tuán)隊(duì)，首先對(duì)PLA材料的分子結(jié)構(gòu)，降解原理進(jìn)行了大量的資料搜索和研究，再結(jié)合3D打印成型所必須要滿足的基本條件，制定了特殊的開(kāi)發(fā)方案，我們制定方案的思路如下：

一、增韌劑的選擇

1、從分子結(jié)構(gòu)方面考慮：增韌劑結(jié)構(gòu)中要有能與PLA所含基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的基團(tuán)，使得增韌效果更為明顯。

2、從生物降解原理方面考慮：增韌劑結(jié)構(gòu)中盡量不含有易吸水的基團(tuán)，因?yàn)樗謺?huì)促進(jìn)PLA材料的降解，最終會(huì)加快材料韌性的衰減速率。

二、降解抑制劑的選擇

從分子結(jié)構(gòu)方面考慮：加入帶有擴(kuò)鏈劑作用的助劑或可以封端PLA官能團(tuán)的助劑。

三、降低收縮率的助劑選擇

1、從增韌劑的選擇方面考慮：增韌劑本身的收縮率要跟PLA材料的接近。

2、填充物方面考慮：一方面填充物的微觀形狀最好是球狀的，使得在降低改性材料收縮率的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各向同性收縮的效果；另一方面填充物不能帶有明顯的促進(jìn)結(jié)晶的作用，否則冷卻速度的加快，很可能會(huì)導(dǎo)致材料在打印的過(guò)程中出現(xiàn)堵塞噴嘴的現(xiàn)象。

四、從3D打印標(biāo)準(zhǔn)線條的生產(chǎn)考慮

所有的助劑不能加入太多，否則會(huì)影響線條生產(chǎn)時(shí)線徑的穩(wěn)定性，比如線條尺寸的公差偏大，最終無(wú)法滿足打印機(jī)的正常輸送進(jìn)料。

五、從打印成型件的外觀考慮

所有的助劑，尤其是填充物的添加必須適量，否則由于填充物的分散問(wèn)題，導(dǎo)致線條材料打印成型件的表面精度變差，比如表面粗糙，有明顯的顆粒。

根據(jù)以上思路，我們制定的特殊方案，經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)和客戶驗(yàn)證，終于成功開(kāi)發(fā)出一款高韌性保持率的PLA材料，也是目前市場(chǎng)上極具創(chuàng)新性的材料，攻克了3D打印PLA線條材料發(fā)脆這一技術(shù)難題，真正解決了3D打印客戶長(zhǎng)久以來(lái)的困擾，此項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)屬于全球首創(chuàng)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際的驗(yàn)證得出以下結(jié)果：金旸高韌性保持率PLA材料，在空氣當(dāng)中放置8個(gè)月以上，也不會(huì)出現(xiàn)發(fā)脆或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象，此款材料具有較高的韌性保持率、良好的打印效果，而且解決了打印支撐難去除的問(wèn)題；同時(shí)，它也可以直接代替部分添加鈦白粉而成的白色材料。由于該款材料未添加難分散的鈦白粉，進(jìn)而使得打印成型件的外觀及精度非常理想，這也是它深受客戶青睞的一個(gè)重要原因。

由于生產(chǎn)FDM－3D材料的進(jìn)入門(mén)檻比較低，導(dǎo)致很多PLA材料生產(chǎn)商涌入這個(gè)行業(yè)，同質(zhì)化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，卻始終缺少一款客戶真正滿意的好產(chǎn)品。金旸3D研發(fā)團(tuán)隊(duì)正是基于這個(gè)行業(yè)痛點(diǎn)，從客戶需求出發(fā)，以技術(shù)創(chuàng)新為核心，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的前期研究、論證才構(gòu)思出研發(fā)創(chuàng)新思路，制定出研發(fā)方案，再經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的試驗(yàn)和客戶驗(yàn)證，最終開(kāi)發(fā)出具有技術(shù)領(lǐng)先性、充分滿足客戶需求的好材料。

審核編輯 黃昊宇