我国2025计划攻克3D打印材料难题

寂静回声

当前，全球范围内新一轮科技革命与产业革命正在萌发，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点，推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合。全球制造、消费模式开始重塑，增材制造产业将迎来巨大的发展机遇。与发达国家相比,我国增材制造产业尚存在关键技术滞后、创新能力不足、高端装备及零部件质量可靠性有待提升、应用广度深度有待提高等问题。

目前，我国高度重视增材制造产业，将其作为《中国制造2025》的发展重点。为贯彻落实《中国制造2025》，推进我国增材制造产业快速可持续发展，加快培育制造业发展新动能，2017年11月，国家十二部委联合制定了《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》,计划内容当中的基本原则和重点任务的第一点就是强化创新，提高创新能力。

目前，3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型三种，3D打印成型主要由打印机和材料组成，打印机是辅助成型的工具，材料才是关键。材料种类和性能的制约，是影响3D打印发展的重要影响因素，也是目前3D打印材料发展的现状。下面主要介绍FDM打印成型所采用的PLA材料，PLA材料是目前很受欢迎的材料，也是FDM打印成型中使用最多的材料，占到70%以上。

PLA(Polylactic acid)，中文名称聚乳酸，又名聚丙交酯，以植物（比如玉米、甘蔗）淀粉为主要原料合成的半结晶型的热塑性脂肪族聚酯，ρ约为1.24g/cm3，Tg约为60℃，Tm约为175℃，模具成型收缩率为0.2%～0.4%，具有生物可降解性，其降解产物为CO2和H2O，其废弃物不会对环境造成污染，PLA材料的生命循环如图1所示。PLA材料可通过传统的挤出、吹塑、注塑、3D打印等成型方式进行加工，被广泛应用于餐具、包装、3D打印等领域。

图1 PLA生命循环图

PLA材料之所以能被FDM打印成型，其一是因为有较低的收缩率，使得打印成型件的尺寸稳定性较好，比如成型件无翘曲无开裂的现象；其二是因为其环保性，包括合成的单体来源和生物可降解性，使得打印时没有刺鼻的气味，其废弃物也可以被降解成对环境无污染的物体；其三是因为其较弱的结晶能力，使得材料在打印出料时的冷却定型速度与打印机的供料速度相匹配，进而使得打印不会出现堵塞打印机喷嘴的现象。

但是，由于PLA材料韧性较差的缺点，导致PLA材料在打印的过程中，也会出现一系列的问题。比如PLA材料在挤出加工成线条，放置2个月后，会出现脆断或不稳定韧性的现象，导致客户在打印的过程中出现线条卡断或自动断裂的现象，自动断裂如图2所示，严重影响正常打印。

图2 线条自动断裂图

PLA线条材料的韧性差，是市场上最为普遍又严重的问题。针对这个缺点，很多公司都在进行改性优化，但是仍然未有明显的改善。3D打印机技术本身就是一项创新的成型制造技术，但是如果材料没有创新的话，是很难满足客户的不同需求的，最终也会导致3D打印行业发展缓慢或终止。

材料韧性差，一般的思维都是直接增韧改性，提高冲击强度值，这也是传统改性通用的原理，但是经过很多次的试验验证，3D打印PLA材料即使冲击强度值通过改性提高几倍甚至几十倍，在从改性颗粒生产成线条后，放置2个月以上，仍然会出现发脆或不稳定韧性的现象。还有一个更为重要的问题就是增韧剂的大量添加，一方面会导致打印成型件发生翘曲的现象，这是因为增韧剂的加入提高了材料的收缩率，另一方面会影响材料的流动性，使得打印材料的温度不得不提高，超过了PLA材料本来的打印温度。

金旸3D研发团队，首先对PLA材料的分子结构，降解原理进行了大量的资料搜索和研究，再结合3D打印成型所必须要满足的基本条件，制定了特殊的开发方案，制定方案的思路如下：

一、增韧剂的选择

1、从分子结构方面考虑：增韧剂结构中要有能与PLA所含基团发生反应的基团，使得增韧效果更为明显。

2、从生物降解原理方面考虑：增韧剂结构中尽量不含有易吸水的基团，因为水分会促进PLA材料的降解，最终会加快材料韧性的衰减速率。

二、降解抑制剂的选择

从分子结构方面考虑：加入带有扩链剂作用的助剂或可以封端PLA官能团的助剂。

三、降低收缩率的助剂选择

1、从增韧剂的选择方面考虑：增韧剂本身的收缩率要跟PLA材料的接近。

2、填充物方面考虑：一方面填充物的微观形状最好是球状的，使得在降低改性材料收缩率的同时，可以实现各向同性收缩的效果；另一方面填充物不能带有明显的促进结晶的作用，否则冷却速度的加快，很可能会导致材料在打印的过程中出现堵塞喷嘴的现象。

四、从3D打印标准线条的生产考虑

所有的助剂不能加入太多，否则会影响线条生产时线径的稳定性，比如线条尺寸的公差偏大，最终无法满足打印机的正常输送进料。

五、从打印成型件的外观考虑

所有的助剂，尤其是填充物的添加必须适量，否则由于填充物的分散问题，导致线条材料打印成型件的表面精度变差，比如表面粗糙，有明显的颗粒。

根据以上思路，金旸制定的特殊方案，经过多次的试验和客户验证，终于成功开发出一款高韧性保持率的PLA材料，也是目前市场上极具创新性的材料，攻克了3D打印PLA线条材料发脆这一技术难题，真正解决了3D打印客户长久以来的困扰，此项创新技术属于全球首创。

经过实际的验证得出以下结果：金旸高韧性保持率PLA材料，在空气当中放置8个月以上，也不会出现发脆或不稳定韧性的现象，此款材料具有较高的韧性保持率、良好的打印效果，而且解决了打印支撑难去除的问题；同时，它也可以直接代替部分添加钛白粉而成的白色材料。由于该款材料未添加难分散的钛白粉，进而使得打印成型件的外观及精度非常理想，这也是它深受客户青睐的一个重要原因。