困擾全球客戶的PLA3D打印材料技術(shù)難題是如何被攻克的?
3D打印,又稱增材制造,是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),將材料逐層堆積形成三維實(shí)體的技術(shù),它對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生了深刻影響,是制造領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù),被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。目前,3D打印已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)校教育、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。
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目前,我國高度重視增材制造產(chǎn)業(yè),將其作為《中國制造2025》的發(fā)展重點(diǎn)。為貫徹落實(shí)《中國制造2025》,推進(jìn)我國增材制造產(chǎn)業(yè)快速可持續(xù)發(fā)展,加快培育制造業(yè)發(fā)展新動(dòng)能,2017年11月,國家十二部委聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2017-2020年)》,計(jì)劃內(nèi)容當(dāng)中的基本原則和重點(diǎn)任務(wù)的第一點(diǎn)就是強(qiáng)化創(chuàng)新,提高創(chuàng)新能力。
PLA(Polylactic acid),中文名稱聚乳酸,又名聚丙交酯,以植物(比如玉米、甘蔗)淀粉為主要原料合成的半結(jié)晶型的熱塑性脂肪族聚酯,ρ約為1.24g/cm3,Tg約為60℃,Tm約為175℃,模具成型收縮率為0.2%~0.4%,具有生物可降解性,其降解產(chǎn)物為CO2和H2O,其廢棄物不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,PLA材料的生命循環(huán)如圖1所示。
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PLA材料可通過傳統(tǒng)的擠出、吹塑、注塑、3D打印等成型方式進(jìn)行加工,被廣泛應(yīng)用于餐具、包裝、3D打印等領(lǐng)域。目前,3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型三種,3D打印成型主要由打印機(jī)和材料組成,打印機(jī)是輔助成型的工具,材料才是關(guān)鍵。材料種類和性能的制約,是影響3D打印發(fā)展的重要影響因素,也是目前3D打印材料發(fā)展的現(xiàn)狀。下面主要介紹FDM打印成型所采用的PLA材料,PLA材料是目前很受歡迎的材料,也是FDM打印成型中使用最多的材料,占到70%以上。
圖1 PLA生命循環(huán)圖
PLA材料之所以能被FDM打印成型,其一是因?yàn)橛休^低的收縮率,使得打印成型件的尺寸穩(wěn)定性較好,比如成型件無翹曲無開裂的現(xiàn)象;其二是因?yàn)槠洵h(huán)保性,包括合成的單體來源和生物可降解性,使得打印時(shí)沒有刺鼻的氣味,其廢棄物也可以被降解成對(duì)環(huán)境無污染的物體;其三是因?yàn)槠漭^弱的結(jié)晶能力,使得材料在打印出料時(shí)的冷卻定型速度與打印機(jī)的供料速度相匹配,進(jìn)而使得打印不會(huì)出現(xiàn)堵塞打印機(jī)噴嘴的現(xiàn)象。
但是,由于PLA材料韌性較差的缺點(diǎn),導(dǎo)致PLA材料在打印的過程中,也會(huì)出現(xiàn)一系列的問題。比如PLA材料在擠出加工成線條,放置2個(gè)月后,會(huì)出現(xiàn)脆斷或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象,導(dǎo)致客戶在打印的過程中出現(xiàn)線條卡斷或自動(dòng)斷裂的現(xiàn)象,自動(dòng)斷裂如圖2所示,嚴(yán)重影響正常打印。
圖2 線條自動(dòng)斷裂圖
PLA線條材料的韌性差,是市場上最為普遍又嚴(yán)重的問題。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn),很多公司都在進(jìn)行改性優(yōu)化,但是仍然未有明顯的改善。3D打印機(jī)技術(shù)本身就是一項(xiàng)創(chuàng)新的成型制造技術(shù),但是如果材料沒有創(chuàng)新的話,是很難滿足客戶的不同需求的,最終也會(huì)導(dǎo)致3D打印行業(yè)發(fā)展緩慢或終止。
材料韌性差,一般的思維都是直接增韌改性,提高沖擊強(qiáng)度值,這也是傳統(tǒng)改性通用的原理,但是經(jīng)過很多次的試驗(yàn)驗(yàn)證,3D打印PLA材料即使沖擊強(qiáng)度值通過改性提高幾倍甚至幾十倍,在從改性顆粒生產(chǎn)成線條后,放置2個(gè)月以上,仍然會(huì)出現(xiàn)發(fā)脆或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象。還有一個(gè)更為重要的問題就是增韌劑的大量添加,一方面會(huì)導(dǎo)致打印成型件發(fā)生翹曲的現(xiàn)象,這是因?yàn)樵鲰g劑的加入提高了材料的收縮率,另一方面會(huì)影響材料的流動(dòng)性,使得打印材料的溫度不得不提高,超過了PLA材料本來的打印溫度。
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3D研發(fā)團(tuán)隊(duì),首先對(duì)PLA材料的分子結(jié)構(gòu),降解原理進(jìn)行了大量的資料搜索和研究,再結(jié)合3D打印成型所必須要滿足的基本條件,制定了特殊的開發(fā)方案,他們制定方案的思路如下:
一、增韌劑的選擇
1、從分子結(jié)構(gòu)方面考慮:增韌劑結(jié)構(gòu)中要有能與PLA所含基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的基團(tuán),使得增韌效果更為明顯。
2、從生物降解原理方面考慮:增韌劑結(jié)構(gòu)中盡量不含有易吸水的基團(tuán),因?yàn)樗謺?huì)促進(jìn)PLA材料的降解,最終會(huì)加快材料韌性的衰減速率。
二、降解抑制劑的選擇
從分子結(jié)構(gòu)方面考慮:加入帶有擴(kuò)鏈劑作用的助劑或可以封端PLA官能團(tuán)的助劑。
三、降低收縮率的助劑選擇
1、從增韌劑的選擇方面考慮:增韌劑本身的收縮率要跟PLA材料的接近。
2、填充物方面考慮:一方面填充物的微觀形狀最好是球狀的,使得在降低改性材料收縮率的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)各向同性收縮的效果;另一方面填充物不能帶有明顯的促進(jìn)結(jié)晶的作用,否則冷卻速度的加快,很可能會(huì)導(dǎo)致材料在打印的過程中出現(xiàn)堵塞噴嘴的現(xiàn)象。
四、從3D打印標(biāo)準(zhǔn)線條的生產(chǎn)考慮
所有的助劑不能加入太多,否則會(huì)影響線條生產(chǎn)時(shí)線徑的穩(wěn)定性,比如線條尺寸的公差偏大,最終無法滿足打印機(jī)的正常輸送進(jìn)料。
五、從打印成型件的外觀考慮
所有的助劑,尤其是填充物的添加必須適量,否則由于填充物的分散問題,導(dǎo)致線條材料打印成型件的表面精度變差,比如表面粗糙,有明顯的顆粒。
根據(jù)以上思路,研究團(tuán)隊(duì)制定的特殊方案,經(jīng)過多次的試驗(yàn)和客戶驗(yàn)證,終于成功開發(fā)出一款高韌性保持率的PLA材料,也是目前市場上極具創(chuàng)新性的材料,攻克了3D打印PLA線條材料發(fā)脆這一技術(shù)難題,真正解決了3D打印客戶長久以來的困擾,此項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)屬于全球首創(chuàng)。
經(jīng)過實(shí)際的驗(yàn)證得出以下結(jié)果:
高韌性保持率PLA材料,在空氣當(dāng)中放置8個(gè)月以上,也不會(huì)出現(xiàn)發(fā)脆或不穩(wěn)定韌性的現(xiàn)象,此款材料具有較高的韌性保持率、良好的打印效果,而且解決了打印支撐難去除的問題;同時(shí),它也可以直接代替部分添加鈦白粉而成的白色材料。由于該款材料未添加難分散的鈦白粉,進(jìn)而使得打印成型件的外觀及精度非常理想,這也是它深受客戶青睞的一個(gè)重要原因。
圖3 PLA打印線條及打印成型圖