3D打印, 又称增材制造, 是以数字模型文件为基础, 将材料逐层堆积形成三维实体的技术, 它对传统的工艺流程, 生产线, 工厂模式, 产业链组合产生了深刻影响, 是制造领域正在迅速发展的一项新兴技术, 被称为 '具有工业革命意义的制造技术' . 目前, 3D打印已经被广泛应用于学校教育, 产品设计, 医疗, 航空等领域.
当前, 全球范围内新一轮科技革命与产业革命正在萌发, 世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点, 推动增材制造技术与信息网络技术, 新材料技术, 新设计理念的加速融合. 全球制造, 消费模式开始重塑, 增材制造产业将迎来巨大的发展机遇. 与发达国家相比,我国增材制造产业尚存在关键技术滞后, 创新能力不足, 高端装备及零部件质量可靠性有待提升, 应用广度深度有待提高等问题.
目前, 我国高度重视增材制造产业, 将其作为《中国制造2025》的发展重点. 为贯彻落实《中国制造2025》, 推进我国增材制造产业快速可持续发展, 加快培育制造业发展新动能, 2017年11月, 国家十二部委联合制定了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,计划内容当中的基本原则和重点任务的第一点就是强化创新, 提高创新能力.
目前, 3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型三种, 3D打印成型主要由打印机和材料组成, 打印机是辅助成型的工具, 材料才是关键. 材料种类和性能的制约, 是影响3D打印发展的重要影响因素, 也是目前3D打印材料发展的现状. 下面主要介绍FDM打印成型所采用的PLA材料, PLA材料是目前很受欢迎的材料, 也是FDM打印成型中使用最多的材料, 占到70%以上.
PLA(Polylactic acid), 中文名称聚乳酸, 又名聚丙交酯, 以植物(比如玉米, 甘蔗)淀粉为主要原料合成的半结晶型的热塑性脂肪族聚酯, ρ约为1.24g/cm3, Tg约为60℃, Tm约为175℃, 模具成型收缩率为0.2%~ 0.4%, 具有生物可降解性, 其降解产物为CO2和H2O, 其废弃物不会对环境造成污染, PLA材料的生命循环如图1所示. PLA材料可通过传统的挤出, 吹塑, 注塑, 3D打印等成型方式进行加工, 被广泛应用于餐具, 包装, 3D打印等领域.
图1 PLA生命循环图
PLA材料之所以能被FDM打印成型, 其一是因为有较低的收缩率, 使得打印成型件的尺寸稳定性较好, 比如成型件无翘曲无开裂的现象;其二是因为其环保性, 包括合成的单体来源和生物可降解性, 使得打印时没有刺鼻的气味, 其废弃物也可以被降解成对环境无污染的物体;其三是因为其较弱的结晶能力, 使得材料在打印出料时的冷却定型速度与打印机的供料速度相匹配, 进而使得打印不会出现堵塞打印机喷嘴的现象.
但是, 由于PLA材料韧性较差的缺点, 导致PLA材料在打印的过程中, 也会出现一系列的问题. 比如PLA材料在挤出加工成线条, 放置2个月后, 会出现脆断或不稳定韧性的现象, 导致客户在打印的过程中出现线条卡断或自动断裂的现象, 自动断裂如图2所示, 严重影响正常打印.
图2 线条自动断裂图
PLA线条材料的韧性差, 是市场上最为普遍又严重的问题. 针对这个缺点, 很多公司都在进行改性优化, 但是仍然未有明显的改善. 3D打印机技术本身就是一项创新的成型制造技术, 但是如果材料没有创新的话, 是很难满足客户的不同需求的, 最终也会导致3D打印行业发展缓慢或终止.
材料韧性差, 一般的思维都是直接增韧改性, 提高冲击强度值, 这也是传统改性通用的原理, 但是经过很多次的试验验证, 3D打印PLA材料即使冲击强度值通过改性提高几倍甚至几十倍, 在从改性颗粒生产成线条后, 放置2个月以上, 仍然会出现发脆或不稳定韧性的现象. 还有一个更为重要的问题就是增韧剂的大量添加, 一方面会导致打印成型件发生翘曲的现象, 这是因为增韧剂的加入提高了材料的收缩率, 另一方面会影响材料的流动性, 使得打印材料的温度不得不提高, 超过了PLA材料本来的打印温度.
金旸3D研发团队, 首先对PLA材料的分子结构, 降解原理进行了大量的资料搜索和研究, 再结合3D打印成型所必须要满足的基本条件, 制定了特殊的开发方案, 我们制定方案的思路如下:
一, 增韧剂的选择
1, 从分子结构方面考虑: 增韧剂结构中要有能与PLA所含基团发生反应的基团, 使得增韧效果更为明显.
2, 从生物降解原理方面考虑: 增韧剂结构中尽量不含有易吸水的基团, 因为水分会促进PLA材料的降解, 最终会加快材料韧性的衰减速率.
二, 降解抑制剂的选择
从分子结构方面考虑: 加入带有扩链剂作用的助剂或可以封端PLA官能团的助剂.
三, 降低收缩率的助剂选择
1, 从增韧剂的选择方面考虑: 增韧剂本身的收缩率要跟PLA材料的接近.
2, 填充物方面考虑: 一方面填充物的微观形状最好是球状的, 使得在降低改性材料收缩率的同时, 可以实现各向同性收缩的效果;另一方面填充物不能带有明显的促进结晶的作用, 否则冷却速度的加快, 很可能会导致材料在打印的过程中出现堵塞喷嘴的现象.
四, 从3D打印标准线条的生产考虑
所有的助剂不能加入太多, 否则会影响线条生产时线径的稳定性, 比如线条尺寸的公差偏大, 最终无法满足打印机的正常输送进料.
五, 从打印成型件的外观考虑
所有的助剂, 尤其是填充物的添加必须适量, 否则由于填充物的分散问题, 导致线条材料打印成型件的表面精度变差, 比如表面粗糙, 有明显的颗粒.
根据以上思路, 我们制定的特殊方案, 经过多次的试验和客户验证, 终于成功开发出一款高韧性保持率的PLA材料, 也是目前市场上极具创新性的材料, 攻克了3D打印PLA线条材料发脆这一技术难题, 真正解决了3D打印客户长久以来的困扰, 此项创新技术属于全球首创.
经过实际的验证得出以下结果: 金旸高韧性保持率PLA材料, 在空气当中放置8个月以上, 也不会出现发脆或不稳定韧性的现象, 此款材料具有较高的韧性保持率, 良好的打印效果, 而且解决了打印支撑难去除的问题;同时, 它也可以直接代替部分添加钛白粉而成的白色材料. 由于该款材料未添加难分散的钛白粉, 进而使得打印成型件的外观及精度非常理想, 这也是它深受客户青睐的一个重要原因.
金旸PLA材料生产的线条及打印成型如图3所示. 所示
图3 PLA打印线条及打印成型图
由于生产FDM-3D材料的进入门槛比较低, 导致很多PLA材料生产商涌入这个行业, 同质化问题越来越严重, 却始终缺少一款客户真正满意的好产品. 金旸3D研发团队正是基于这个行业痛点, 从客户需求出发, 以技术创新为核心, 经过长时间的前期研究, 论证才构思出研发创新思路, 制定出研发方案, 再经过反复多次的试验和客户验证, 最终开发出具有技术领先性, 充分满足客户需求的好材料.