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【中科院之声】高性能3D打印多了一种新“墨水”
2017-06-15 | 【】【打印】【关闭】                

  对于3D打印技术的认识和发源,我们要穿梭回19世纪。据文献记载,快速原型技术(即3D打印技术)的核心理念最早起源于19世纪的照相雕塑技术和地貌成型技术(图1),而直到20世纪80年代才真正被实现,并起学名为“Rapid Prototyping(快速原型)”。根据其与传统制造方式的区别,3D打印技术还被叫做Additive Manufacturing(增材制造),其定义为一种基于3D设计模型文件,运用不同的打印制造技术、方式使特定的材料,通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体的技术(见图2所示)。 

1 地貌成型原理

2 3D逐层堆积打印技术原理

  3D打印技术制造的基本过程包括三步:数字化三维建模、对三维模型进行切片处理和逐层制造成型。经过几十年的发展和技术革新,基于不同的材料和性能需求,3D打印制造技术已经发展出熔融沉积式(Fused deposition modelingFDM)、选择性激光熔化成型(Selective laser melting, SLM)、立体平板印刷(StereolithographySLA)以及数字光处理(Digital-Light Processing, DLP)等四大主要成型技术,图3给出了四类成型技术的成型原理示意图。 

3 四类主要3D打印成型技术制造原理图

  相对于传统制造技术,使用3D打印技术制造三维产品具有节省材料,成型精度较高,无需复杂制件、传统的刀具、夹具、机床或任何模具等优点。此外,3D打印无需集中的、固定的制造车间,具有分布式生产的特点,且能在数小时内成形组装好产品。因此,3D打印技术已经在工业造型、机械制造、航天航空、军事、建筑、医学、文化艺术及考古等领域得到了广泛的应用,图4展示了目前3D打印技术的应用领域及制件,随着技术的发展和革新,其应用领域将不断拓展。 

4 3D打印技术应用领域及制件  

  DLPSLA3D打印技术发展最早的成型技术,是一种光固化辅助成型技术,具有成型速度快、精度高等优点,主要采用液态光固化树脂材料。光固化3D打印的核心问题在于光敏树脂的开发。3D打印用光敏树脂必须挥发性小、粘度低、稳定性好、固化快、收缩率低,固化后有较好的力学性能及热稳定性;此外,打印过程及其成型制品应该无毒、无刺激性气味等。目前用于3D打印的光敏树脂主要是丙烯酸树脂、环氧树脂及聚酯树脂等系列的光固化树脂材料,可以成型出航天航空用叶片、齿轮等结构零件,然而该系列材料不具有耐高温特性,使得此系列树脂打印成型零件及制品只能作为模具或模型而不能满足实际需求,从而大大限制了其应用和发展。因此,如何寻找和制备并打印出高温下使用的航天航空零件的耐高温墨水迫在眉睫。 

  幸运的是,作为21世纪最有前途的材料之一——聚酰亚胺,具有优异的机械性能、耐高温性、抗化学腐蚀及优良介电特性等特点,已被广泛应用于航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。但受制于难溶解、难熔融等加工问题,国内外在3D打印聚酰亚胺材料研发方面进展缓慢,市场上目前尚无此类产品。中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室表界面研究团队近日的研发成果填补了此项空白,他们研发了适用于DLPSLA等光固化3D打印的高性能聚酰亚胺光敏树脂材料,相关论文 SolventFree and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing 在线发表在 Journalof Materials Chemistry A 杂志上(DOI: 10.1039/C7TA01952A)。 

  研究人员从聚酰亚胺分子结构设计出发,采用端基封端和侧基修饰等方法既控制了聚酰亚胺分子量赋予了其优异的溶解性能,同时又引入了活性基团使其具有可快速光固化能力,从而发展了适用于SLADLP等光固化3D打印技术的聚酰亚胺墨水材料(见图5所示)。该3D打印聚酰亚胺墨水材料成型精度高、表面质量好,且具有优异的耐热性能,在300oC烘箱处理或热油浸泡后不会发生断裂和弯曲变形,可有效解决现有市售光固化3D打印的树脂材料机械强度差、耐高温性差、易吸湿膨胀、耐化学稳定性不佳,以及大多只能在100 oC以下环境中使用等问题,从而突破了采用3D打印技术可直接使用零部件制造的瓶颈问题。 

5高性能3D打印聚酰亚胺墨水材料及DLP打印制作的耐高温零部件

  兰州化物所材料表界面研究团队持续推出的系列高性能3D打印聚酰亚胺墨水材料为3D打印先进制造技术在相关领域的高精度、高耐热性、高强度的复杂结构零件和机构的直接快速成型制造提供了新的机遇。在前期表面功能化3D打印以及高性能3D打印材料的基础上,该研究团队正与国内著名高校和科研院所合作进行抗辐照机构、惯性仪器仪表陀螺仪和核武器开关部件微系统传动机构3D打印快速成型制造研究。 

  上述研究工作得到了中科院“西部之光”和兰州化物所“特聘人才计划”、甘肃省自然科学基金(1606RJZA051)和甘肃普锐特科技有限公司的支持。 

来源:中科院之声
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