3D列印, 又稱增材製造, 是以數字模型檔案為基礎, 將材料逐層堆積形成三維實體的技術, 它對傳統的工藝流程, 生產線, 工廠模式, 產業鏈組合產生了深刻影響, 是製造領域正在迅速發展的一項新興技術, 被稱為 '具有工業革命意義的製造技術' . 目前, 3D列印已經被廣泛應用於學校教育, 產品設計, 醫療, 航空等領域.
當前, 全球範圍內新一輪科技革命與產業革命正在萌發, 世界各國紛紛將增材製造作為未來產業發展的新增長點, 推動增材製造技術與資訊網路技術, 新材料技術, 新設計理念的加速融合. 全球製造, 消費模式開始重塑, 增材製造產業將迎來巨大的發展機遇. 與發達國家相比,我國增材製造產業尚存在關鍵技術滯後, 創新能力不足, 高端裝備及零部件質量可靠性有待提升, 應用廣度深度有待提高等問題.
目前, 我國高度重視增材製造產業, 將其作為《中國製造2025》的發展重點. 為貫徹落實《中國製造2025》, 推進我國增材製造產業快速可持續發展, 加快培育製造業發展新動能, 2017年11月, 國家十二部委聯合制定了《增材製造產業發展行動計劃(2017-2020年)》,計劃內容當中的基本原則和重點任務的第一點就是強化創新, 提高創新能力.
目前, 3D列印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型三種, 3D列印成型主要由印表機和材料組成, 印表機是輔助成型的工具, 材料才是關鍵. 材料種類和性能的制約, 是影響3D列印發展的重要影響因素, 也是目前3D列印材料發展的現狀. 下面主要介紹FDM列印成型所採用的PLA材料, PLA材料是目前很受歡迎的材料, 也是FDM列印成型中使用最多的材料, 佔到70%以上.
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)澱粉為主要原料合成的半結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, 其降解產物為CO2和H2O, 其廢棄物不會對環境造成汙染, PLA材料的生命迴圈如圖1所示. PLA材料可通過傳統的擠出, 吹塑, 注塑, 3D列印等成型方式進行加工, 被廣泛應用於餐具, 包裝, 3D列印等領域.
圖1 PLA生命迴圈圖
PLA材料之所以能被FDM列印成型, 其一是因為有較低的收縮率, 使得列印成型件的尺寸穩定性較好, 比如成型件無翹曲無開裂的現象;其二是因為其環保性, 包括合成的單體來源和生物可降解性, 使得列印時沒有刺鼻的氣味, 其廢棄物也可以被降解成對環境無汙染的物體;其三是因為其較弱的結晶能力, 使得材料在列印出料時的冷卻定型速度與印表機的供料速度相匹配, 進而使得列印不會出現堵塞印表機噴嘴的現象.
但是, 由於PLA材料韌性較差的缺點, 導致PLA材料在列印的過程中, 也會出現一系列的問題. 比如PLA材料在擠出加工成線條, 放置2個月後, 會出現脆斷或不穩定韌性的現象, 導致客戶在列印的過程中出現線條卡斷或自動斷裂的現象, 自動斷裂如圖2所示, 嚴重影響正常列印.
圖2 線條自動斷裂圖
PLA線條材料的韌性差, 是市場上最為普遍又嚴重的問題. 針對這個缺點, 很多公司都在進行改性優化, 但是仍然未有明顯的改善. 3D印表機技術本身就是一項創新的成型製造技術, 但是如果材料沒有創新的話, 是很難滿足客戶的不同需求的, 最終也會導致3D列印行業發展緩慢或終止.
材料韌性差, 一般的思維都是直接增韌改性, 提高衝擊強度值, 這也是傳統改性通用的原理, 但是經過很多次的試驗驗證, 3D列印PLA材料即使衝擊強度值通過改性提高几倍甚至幾十倍, 在從改性顆粒生產成線條後, 放置2個月以上, 仍然會出現發脆或不穩定韌性的現象. 還有一個更為重要的問題就是增韌劑的大量添加, 一方面會導致列印成型件發生翹曲的現象, 這是因為增韌劑的加入提高了材料的收縮率, 另一方面會影響材料的流動性, 使得列印材料的溫度不得不提高, 超過了PLA材料本來的列印溫度.
金暘3D研發團隊, 首先對PLA材料的分子結構, 降解原理進行了大量的資料搜索和研究, 再結合3D列印成型所必須要滿足的基本條件, 制定了特殊的開發方案, 我們制定方案的思路如下:
一, 增韌劑的選擇
1, 從分子結構方面考慮: 增韌劑結構中要有能與PLA所含基團發生反應的基團, 使得增韌效果更為明顯.
2, 從生物降解原理方面考慮: 增韌劑結構中盡量不含有易吸水的基團, 因為水分會促進PLA材料的降解, 最終會加快材料韌性的衰減速率.
二, 降解抑製劑的選擇
從分子結構方面考慮: 加入帶有擴鏈劑作用的助劑或可以封端PLA官能團的助劑.
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, 可以實現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結晶的作用, 否則冷卻速度的加快, 很可能會導致材料在列印的過程中出現堵塞噴嘴的現象.
四, 從3D列印標準線條的生產考慮
所有的助劑不能加入太多, 否則會影響線條生產時線徑的穩定性, 比如線條尺寸的公差偏大, 最終無法滿足印表機的正常輸送進料.
五, 從列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, 否則由於填充物的分散問題, 導致線條材料列印成型件的表面精度變差, 比如表面粗糙, 有明顯的顆粒.
根據以上思路, 我們制定的特殊方案, 經過多次的試驗和客戶驗證, 終於成功開發出一款高韌性保持率的PLA材料, 也是目前市場上極具創新性的材料, 攻克了3D列印PLA線條材料發脆這一技術難題, 真正解決了3D列印客戶長久以來的困擾, 此項創新技術屬於全球首創.
經過實際的驗證得出以下結果: 金暘高韌性保持率PLA材料, 在空氣當中放置8個月以上, 也不會出現發脆或不穩定韌性的現象, 此款材料具有較高的韌性保持率, 良好的列印效果, 而且解決了列印支撐難去除的問題;同時, 它也可以直接代替部分添加鈦白粉而成的白色材料. 由於該款材料未添加難分散的鈦白粉, 進而使得列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重要原因.
金暘PLA材料生產的線條及列印成型如圖3所示. 所示
圖3 PLA列印線條及列印成型圖
由於生產FDM-3D材料的進入門檻比較低, 導致很多PLA材料生產商湧入這個行業, 同質化問題越來越嚴重, 卻始終缺少一款客戶真正滿意的好產品. 金暘3D研發團隊正是基於這個行業痛點, 從客戶需求出發, 以技術創新為核心, 經過長時間的前期研究, 論證才構思出研發創新思路, 制定出研發方案, 再經過反覆多次的試驗和客戶驗證, 最終開發出具有技術領先性, 充分滿足客戶需求的好材料.