高分子3D打印材料和打印工艺

3D 打印是近年来新兴的一种热门技术，它可以根据计算机中的数字模型为参照，使用粉末状的金属、塑料、砂子等多种打印材料，将计算机中的模型变成实实在在的物品。

根据打印工艺的不同，所用 3D 打印的基本材料也有较大的差异，例如粉末层喷头 3D 打印的用材主要为石膏，而光聚合3D 打印的用材主要为光硬化树脂等高分子材料。只有将打印工艺和打印材料配套使用，才能确保最终打印的产品具有良好的性能。

微尺度3D打印设备

3D 打印目前已经在医学、建筑、汽车等领域得到了应用， 与传统的材料加工方式相比，3D 打印具有个性化定制、数字化制造等应用优势 。

但是作为一种新兴技术，3D 打印技术在发展过程中还面临材料、机器、成本等许多限制因素 。本文首先列举了 3D 打印常用的一些材料，随后分别以热塑性高分子、光敏树脂为例，就打印工艺中需要注意的事项和技术要点进行了分析。

3D 打印的常用材料

在不同的技术应用领域，3D打印适用的材料也有很大差异，随着近年来3D打印技术逐渐成熟，可用的材料将近200种，其中应用比较普遍的有以下几种。

( 一) ABS 塑料类

ABS 塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体组成的混合物，三种单体可用按照任意比例混合，制成性能不同的高分子树脂材料 。ABS 塑料不仅具有较强的硬度和较高的弹性，而且具有耐腐蚀、耐磨损等特性，是现阶段3D 打印中应用最广的材料之一 。在 3D 打印时，先将打印喷嘴的温度调高至150℃ - 200℃ 之间，使 ABS 塑料溶解为液态，然后根据计算机控制从喷嘴喷出，遇冷后迅速凝固成型。

(二) PLA 塑料类

聚乳酸(PLA) 塑料是一种从植物(稻草、麦秆等) 中提取淀粉原料，茎秆生物转化和化学加工后支撑的一种高纯度乳酸， 具有可再生、无污染等特点 。PLA 材料具有热稳定性好、易于加工成型等特点，在 3D 打印的多个技术应用领域均有使用。与 ABS 塑料相比，PLA 塑料由于原料来源较广，成本较低，因此

在一些低端 3D 打印机中更加使用。

(三) 光敏树脂

光敏树脂是一种由齐聚物、光引发剂等物质组合成的聚合物，该种材料具有粘度低、固化速度快、光敏感性高等特点，是 高精度 3D 打印中常用的高分子材料 。另外，与上文中所提到的两种高分子塑料材料相比，光明树脂在凝固后表面更加刮花，且没有普通树脂的刺激性气味，具有广阔的应用前景。

高分子材料的打印工艺

( 一) 热塑性高分子材料的打印工艺

3D 打印是将不同材料进行“层层叠加”后形成一种新产品的工艺，因此根据不同的“叠加”类型，可以将打印工艺分成若干种。

在热塑性高分子材料打印中，主要的成型方式包括以下几种。

( 1) 熔融沉积成型 。其原理是提前将热塑性聚合物进行拉丝，将丝状的材料装入到 3D 打印机的材料室内 。在打印时，先将喷嘴温度升高，达到热塑性材料的熔点 。然后利用压力将丝 状材料送入到喷嘴中，材料融化后在压力作用下从喷嘴喷出， 同时按照计算机的指令进行运动，最终将材料逐层堆积形成既 定形状的产品 。熔融沉积成型打印工艺的优点在于操作简便， 且对设备要求不高，从成本上来说是目前高分子 3D 打印中比 较低廉的一种工艺 。在产品质量方面，该种工艺制作出来的3D 产品无论是在细节、尺寸还是稳定性方面，都满足了基本要求。

( 2) 选择性激光烧结 。该种工艺可以用热塑性聚合物粉末或是金属粉末作为主要的加工材料 。其中的工艺技术要点包括 : 先将热塑性材料进行粉碎加工，要求粉末的细度符合 3D 打印精度的标准 。然后启动设备，让送料筒缓缓提升，在提升过程中，将高分子聚合物粉末均匀的洒在滚筒的表面 。当滚筒上升到一定高度后，激光器感应发出激光束，激光束按照计算机 控制指令进行运动，由于激光束具有极高的能量，照射区域的粉末会烧结、凝固，形成一定的轮廓 。完成第一次烧结后，再重复上述步骤，直到形成 3D 产品。

(二) 光敏树脂高分子材料的打印工艺

3D 打印的许多产品都对精度、分辨率有较高的要求，除了 要对工艺流程进行优化外，选择高性能的材料也是提高打印产品质量的重要因素 。光敏树脂高分子材料虽然价格比较昂贵，但是性能优越，适合一些小体积、高要求的材料制造。

( 1) 立体平板印刷 。首先利用程序对数字模型进行切片处理，设计扫描路径，从而精确控制激光扫描器和升降台的运动 ; 而后，利用激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，令液态光敏树脂的特定区域固化，从而形成模型的一层截面 ; 随后控制升降台下降微小的距离，让固化层上覆盖一层新的液态树脂，并同时进行第二层扫描，此时，第二固化层将牢固地粘结在前一固化层上，以此步骤反复进行，从底部逐层生成物体。

( 2) 聚合物喷射 。成型原理与熔融沉积成型有点类似，不过喷头喷出的不是热塑性的丝状耗材，而是液态的光敏高分子，同时需要一个 UV 紫外灯作为固化源 。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV 紫外灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光对光敏聚合物进行固化 。当完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化，如此循环直到打印完成 。当打印成型过程结束后，只需使用水枪就可以十分容易地把这种支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型产品。

3D 打印作为一种具有广阔发展前景的工艺，在短短的三 十多年发展时间里，已经覆盖了医学、建筑、机械加工制造等各个领域 。高分子材料作为 3D 打印中应用较广的材料之一，具有热塑性好、耐磨损、抗腐蚀、光滑有色泽等诸多优点 。在进行 3D 打印时，也需要结合不同高分子材料的种类、特性，对打印工艺进行优化，提高打印技术，切实保障3D 打印产品的质量。

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参考资料：试论高分子 3D 打印材料和打印工艺，邢珂等

原文始发于微信公众号（艾邦医用高分子）：高分子3D打印材料和打印工艺