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高分子3D打印材料和打印工艺简介(二)

1.2 热塑性高分子打印工艺
        熔融沉积成型(FDM)为热塑性高分子材料的主要3D打印手段,其使用的是丝状的高分子打印材料。如果将热塑性高分子制备为粉状,则也可以使用选择性激光烧结(SLS)的手段。熔融沉积成型(Fused deposition modeling,FDM)是1988年由美国Scott Crump发明,并以此成立了Stratasys公司。其原理为采用热塑性聚合物,并将其制备成为丝状耗材,材料利用步进电机挤出到喷头内,以一定温度加热被熔化,同时喷头沿着打印件的截面轮廓和填充轨迹运动,并将熔化的耗材挤出,耗材凝固并以逐层堆积方式成型(见图1)。

FDM工艺原理示意图

        FDM 工艺设备价格低廉,操作技术门槛很低,打印材料价格便宜且容易制备,技术改进升级难度相对较小。因此,FDM 工艺广泛应用于低端入门级3D打印设备,是3D打印普及化和大众化的主要推动力。从打印产品的质量而言,FDM 工艺最大的优势在于良好的尺寸和存储稳定性,由于采用了如ABS、PLA这样的常用热塑性高分子作为耗材,当打印产品降到室温以后,其对环境中的光照、湿度、曝晒均表现出较好的稳定性,且能够长期稳定存储。然而,相比其他成型方式(尤其是立体平板印刷或者材料喷射成型),其表面的精度相对较差,常产生明显的“层效应”:即使用小的线材宽度和很薄的层厚(0.1mm),在成品的顶端、底面和侧面仍能够看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。更不利的是,如果采用支撑材料,剥除支撑材料往往对产品本体造成相当的伤害,形成明显的如抽丝、凹坑、突起等缺陷。而与之相对的,立体平板印刷工艺(SLA)的支撑层通常能通过加热和溶剂轻松移除。此外,支撑材料剥除后难以回收利用,
造成耗材的浪费。

        基于FDM 工艺在3D打印市场的突出地位,有许多措施被开发出来以提升此类打印模型的表面精度,例如在打印设置方面,对于要求较高完工精度的表面设置以垂直方向成型,而将较不重要的表面以水平方向成型。对打印件的二次加工也是改善表面精度的重要方法,不过通常FDM 用的打印耗材固化后硬度较大,单纯的机械打磨效果较差,而利用溶剂抛光则可能得到理想的表面光滑度,并获得更好的产品细节表现。

        选择性激光烧结(Selected laser sintering,SLS)是金属、陶瓷等材料3D打印所运用的主要技术,但也可以用于热塑性的聚合物粉末。成型步骤为:首先令仪器送料筒上升,移动铺粉滚筒,在工作平台上铺一层粉末材料,然后由激光器发出激光束,在计算机控制下按照截面轮廓对部分选定区域的粉末进行烧结,将有粘结剂的粉末熔化形成一体化的打印层。当第一层烧结完成后,工作台将下降一截面层的高度,同时铺粉滚筒在已有的打印层上铺下一层粉末,进行下一层烧结,如此循环,形成三维的打印产品(见图2)。
SLS工艺原理示意图
        与FDM 比较,SLS工艺加工需要升温和冷却,成型时间较长,打印出的产品表面常出现疏松多孔的状态,且有内应力,容易变形,就纯高分子打印而言不如FDM 常用。但是,从理论而言,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料,因此,SLS非常适合于以高分子聚合物为基,复合陶瓷、玻璃、纤维、金属等粉末的复合材料打印制品的成型,从而大幅度地扩展了3D打印技术的应用范围。



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