工程塑料因良好的強度、耐候性和熱穩定性使其應用范圍較廣,尤其是用于制備工業制品,因此工程塑料成為目前應用最廣泛的3D打印材料,特別是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等最為常用。
不同于傳統的注塑,3D打印技術對塑料材料的性能和適用性提出了更高的要求,最基本的要求是通過熔融、液化或者粉末化后具有流動性,3D打印成型后通過凝固、聚合、固化等形成具有良好的強度和特殊功能性。
目前幾乎所有的通用塑料都可以應用于3D打印,但由于每種塑料的特性存在差異,導致3D打印的工藝以及制品性能受到影響。
目前影響塑料材料應用于3D打印的因素主要有:打印溫度高、材料流動性差,導致工作環境出現揮發成分,打印嘴易堵,影響制品精密度;普通的塑料強度較低,適應的范圍太窄,需要對塑料做增強處理;冷卻均勻性差,定型慢,易造成制品收縮和變形;缺少功能化和智能化的應用。
3D打印產業的關鍵是材料,塑料材料作為3D打印最為成熟的材料,目前仍存在較多問題:受塑料強度的影響,塑料材料適應領域有限,成品的物理機械特性較差;需要高溫加工、低溫流動性差、固化慢、易變形、精密度低;缺少塑料在新材料領域的拓展。
為此,3D打印塑料改性技術的發展目前主要有以下四個方向。
1、流動性改性
為了實現塑料的流動改性,可以參考利用潤滑劑等進行改性。但由于使用過多的潤滑劑會導致揮發分增加,切削弱制品的剛性和強度,因此通過加入高剛性、高流動性的球形的硫酸鋇、玻璃微珠等無機材料可以彌補塑料流動性差的缺陷。對粉末塑料可采用粉體表面包覆片狀無機粉體如滑石粉、云母粉等以增加流動性。另外,可在塑料合成時直接形成微球,以確保流動性。
2、增強改性
通過增強改性,可以提升塑料的剛性和強度。如通過玻璃纖維、金屬纖維、木質纖維增強ABS使復合材料適合于3D熔融沉積工藝;粉末狀塑料通常通過激光燒結,可以通過復合多種材料進行增強改性,包括添加玻璃纖維的尼龍粉、添加碳纖維的尼龍粉、尼龍與聚醚酮混合等。
3、快速凝固
塑料的凝固時間與結晶性密切相關。為了加快塑料3D熔融沉積后快速凝固成形,可以通過使用合理的成核劑以加快塑料定型凝固,也可以通過在塑料材料中復合不同熱容的金屬以加快凝固的速度。
4、功能化
通過功能化改性,可拓展塑料在3D打印制造領域的應用范圍。如用于生物醫療的復雜器件、導電材料、溫控材料、形變記憶材料等,采用傳統制造方法難以滿足要求,可通過選擇3D打印成型得到復雜形狀的制品。
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