云铸科普丨3D打印材料及其安全性探讨

发表时间:2019-09-30 14:57

3D打印技术是一项起源于20世纪80年代集机械、计算机、数控和材料于一体的智能制造技术。其基本原理是根据三维实体部件经分层处理得到的二维截面信息,以点、线或面作为基本单元进行逐层堆积制造,最终得到实体部件或原型。3D打印区别于传统的减材(如切削加工)和等材(如锻造)制造方法,可以实现传统方法没有办法或很难达到的复杂结构部件的制造,并大幅减少加工工序,缩短加工周期,因此得到了世界各地科研工作者的广泛关注。

   

    

SLS工艺成型原理图


3D 打印技术最早应用于各类原型的快速制造,故在早期也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping,RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制,大多使用有机高分子材料,其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展,将该技术应用于终端部件制造的愿望越来越迫切,因此不仅对3D打印装备提出了更高的要求,对3D打印材料各项性能的要求也日益提高。   

    

3D打印技术在医疗等领域发挥越来越高的作用


3D 打印材料是3D 打印技术重要的物质基础,它的性能在很大程度上决定了成形部件的综合性能。而伴随着3D打印在哥哥领域越来越深入的应用,针对3D打印材料的安全性探讨就变成了热门话题。我们可以从目前热门的聚合物材料、金属材料方面进行探讨。


1、聚合物材料

3D打印用聚合物材料主要包括光敏树脂、热塑性塑料及水凝胶等。纸张、淀粉、糖、巧克力等也可纳入聚合物材料的范畴,但在工业制造领域暂时应用范围不是很广。


以光敏树脂为例,其是最早应用于3D打印的材料之一,适用于光固化成形(Stereolithography Apparatus,SLA),其主要成分是能发生聚合反应的小分子树脂(预聚体、单体),其中添加有光引发剂、阻聚剂、流平剂等助剂,能够在特定的光照(一般为紫外光)下发生聚合反应实现固化。光敏树脂并不算一种新的材料,与其原理类似的光刻胶、光固化涂料、光固化油墨等已经在电子制造、全息影像、胶粘剂、印刷、医疗等领域得到广泛应用。

    

云铸三维SLA批量化生产智能车间

在涂料领域,光固化技术因具有固化速度快、固化性能优异、少污染、节能等优点被认为是一种环境友好的绿色技术。


2、3D打印用金属材料

根据2018 年的Wohlers Report 报道,金属3D打印产业有了明显发展。文中指出,2017 年售出1768 套金属3D 打印设备,相比2016 年的983 套增长了将近80%。作为3D打印中非常重要的材料,金属材料在汽车、模具、能源、航空航天、生物医疗等行业中都有广阔的应用前景。由于金属材料多直接用于行业应用而非验证,其在应用过程中的安全保障是更值得探讨的问题。


最显著的案例就是NASA采用3D打印技术制造了由GRCop-84 铜合金内壁和镍合金外壁构成的燃烧室,内壁采用SLM工艺制造,再以电子束熔丝沉积完成外壁的制造。该燃烧室经过全功率点火测试后,仍然保持良好的形状,证明了3D打印工艺在节约大量时间和工艺成本的基础上,取得了与传统工艺同样的效果,其安全性毋庸置疑。

    

德国通快SLM金属3D打印样件(云铸三维)


结束语       

3D 打印材料发展至今,经历了从聚合物材料到金属材料再到陶瓷材料的发展过程。目前每个领域仍不断有新材料出现,体现了3D打印技术的活力。尽管目前3D打印材料的类别已经涉及大部分材料体系。

面对未来3D打印结构功能一体化的发展趋势,需要在3D打印新材料及其安全性、3D打印新技术和3D打印新装备等方面进行不断加强。随着3D打印材料、工艺、装备的持续发展,3D 打印技术将更有力地支撑我国向制造强国迈进的步伐。

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