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3D打印浪潮下改性塑料的發展前景

2017-6-15 12:54:15

2017年5月22日，馬來西亞馬印航空完成了波音737 MAX 8的首次商業飛行，開啟單通道飛機市場的新時代。5月16日，波音公司剛在西雅圖慶祝了這架飛機的交付。這個暢銷的機型迄今為止已經獲得來自全球87家客戶的3700多架訂單。
與此同時，美國通用電氣公司(下稱“GE”)航空總部的工程師們仍在埋頭研究3D打印技術。就在這之前，他們用3D打印機“打印”出的19個燃油噴嘴被安裝到了737 MAX的LEAP-1B引擎中，這一技術代表著迄今為止增材制造(即3D打印)在航空工業最具標志性的應用。來不及慶祝，他們又踏上了新的征途。此前，GE相關負責人曾表示，到2020年，3D打印的航空發動機燃料噴嘴將達到4萬個。
在汽車領域，利用3D打印技術按需制造汽車零部件正在成為一種趨勢。戴姆勒公司迄今為止3D打印的汽車零部件已經達到了780個(包括抽屜、蓋層、固定條、適配器等)。下圖的車載鈔票收納盒就是其中之一。

戴勒姆公司表示，采用3D打印技術的讓他們在制造備用汽車部件上變得更加快速、靈活和經濟，尤其是針對個別客戶的需求來說。相比之下，傳統的注射成型工藝就顯得“臃腫”了許多，因為它不但需要開發額外的工具，而且會造成大量的材料浪費和庫存堆積。
“分散式制造”趨勢下的3D打印浪潮
3D打印為什么會對傳統制造業造成沖擊?3D 打印技術公司Hubs聯合創始人布拉姆·茲瓦特舉了一個形象的例子：“通過在家里附近的3D打印技術公司定制商品，不一會公司就能打印出來送到你的樓下了。那么，工廠基本都會倒閉。與其把1000臺機器放在同一個地方，為什么不把1000臺機器放在1000個地方呢?”而戴勒姆公司負責人Hartmut Schick也表示，“3D打印正在改變我們制造汽車零部件的方式，”，“要知道3D打印機通常并不大，所以我們可以輕松將其配置到全球的任何一座工廠中。而這就讓我們獲得了更快速回應客戶需求的能力，同時也幫助我們省下了原先必需花在零部件運輸方面的成本。”
布拉姆·茲瓦特提到的是“分散式制造”(Distributed Manufacturing)的場景。早在2015年的達沃斯論壇上，“分散式制造”被列為最重要的技術趨勢之一。根據普華永道近日公布的最新調查報告，美國國內制造商在不同程度上使用3D打印技術的占總數大約2/3，與2014年以前35%的比例相比已經大大增加，其中，56%的人認為未來3-5年內會有超過半數的同行使用3D打印。西門子公司預計，未來五年內，3D打印成本將降至五成，而速度也將提高五倍。咨詢公司Gartner認為，盡管3D打印的市場份額在2015年只有16億美元(約合人民幣110.1億元)，到2018年，這個數目將達到134億美元(約合人民幣922.3億元)。
新材料開發與優化仍是3D打印主要挑戰

盡管從被過度吹捧的炒作期進入到相對成熟期，3D打印技術未來依然充滿挑戰。上述普華永道報告指出，受訪制造商表示，3D打印技術存在的障礙有設備成本過高，缺乏專業人才和技術，最終產品質量不確定度和打印機速度等。值得一提的是，幾乎同一時間，制造商認為產品質量的不確定是最大的障礙(47%)，其次是缺乏專業人才和技術，然后才是成本問題。產品質量的不確定除了受到加工工藝的穩定性影響之外，根本原因還是由于現有材料還無法在大規模工業化生產中完全適應3D打印工藝的所有要求。
由于塑料材料良好的熱流動性、快速冷卻粘接性、較高的機械強度，在3D打印制造領域得到快速的應用和發展。塑料材料的熔融粘結特性逐步將樹脂塑料用于陶瓷、玻璃、無機凝膠、纖維、金屬等，成為3D打印的基礎材料。可以預見，塑料類3D打印耗材的技術發展必將大大助力3D打印行業的發展，而在3D打印的浪潮中，以改性塑料為耗材的3D打印材料也必將迎來大量發展機遇。
3D打印塑料種類
不同于傳統塑料材料，3D打印技術對塑料材料的性能和適用性提出了更高要求，最基本的要求是通過熔融、液化或者粉末化后具有流動性，3D打印成型后通過凝固、聚合、固化等形成具有良好的強度和特殊功能性。適合于3D打印的塑料材料有工程塑料、生物塑料、熱固性塑料、光敏樹脂和預聚體樹脂、高分子凝膠等。結合改性塑料的行業發展，小編將主要介紹在3D打印中應用的工程塑料與生物塑料。
工程塑料：工程塑料因良好的強度、耐候性和熱穩定性使其應用范圍較廣，尤其是用以制備工業制品，因此工程塑料成為目前應用最廣泛的3D打印材料，特別是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等最為常用。
生物塑料：3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羥基丁酸酯(PHB)、聚-羥基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯(PBS)、聚己內脂(PCL)等，具有良好的可生物降解性。由于生物塑料具有良好的流動性、快速凝固特性、不易堵噴嘴、環保型、生物相容性，在生物醫療制品的3D打印制造中得到很好的應用。

3D打印塑料的改性方向
目前幾乎所有的通用塑料都可以應用于3D打印，但由于每種塑料的特性存在差異，導致3D打印的工藝以及制品性能受到影響。目前影響塑料材料應用于3D打印的因素主要有：打印溫度高、材料流動性差，導致工作環境出現揮發成分，打印嘴易堵，影響制品精密度;普通的塑料強度較低，適應的范圍太窄，需要對塑料做增強處理;冷卻均勻性差，定型慢，易造成制品收縮和變形;缺少功能化和智能化的應用。3D打印產業的關鍵是材料，塑料材料作為3D打印最為成熟的材料，目前仍存在較多問題：受塑料強度的影響，塑料材料適應領域有限，成品的物理機械特性較差;需要高溫加工、低溫流動性差、固化慢、易變形、精密度低;缺少塑料在新材料領域的拓展。為此，3D打印塑料改性技術的發展目前主要有以下四個方向。
1. 流動性改性
為了實現塑料的流動改性，可以參考利用潤滑劑等進行改性。但由于使用過多的潤滑劑會導致揮發分增加，切削弱制品的剛性和強度，因此通過加入高剛性、高流動性的球形的硫酸鋇、玻璃微珠等無機材料可以彌補塑料流動性差的缺陷。對粉末塑料可采用粉體表面包覆片狀無機粉體如滑石粉、云母粉等以增加流動性。另外，可在塑料合成時直接形成微球，以確保流動性。
2. 增強改性
通過補強材料可以提升塑料的剛性和強度。如通過玻璃纖維、金屬纖維、木質纖維用于增強ABS的增強使復合材料適合于3D熔融沉積工藝;粉末狀塑料通常通過激光燒結，可以通過復合多種材料進行增強改性，包括添加玻璃纖維的尼龍粉、添加碳纖維的尼龍粉、尼龍與聚醚酮混合等。
3. 快速凝固
塑料的凝固時間與結晶性密切相關。為了加快塑料3D熔融沉積后快速凝固成形，可以通過使用合理的成核劑以加快塑料定型凝固，也可以通過在塑料材料中復合不同熱容的金屬以加快凝固的速度。
4. 功能化
塑料材料用于3D打印由于材料的特殊性，在一些領域應用受到限制。但如果賦予塑料一些功能，會大大拓展塑料在3D打印制造領域的應用范圍。如傳統功能性塑料制品通常在加工時混入功能性材料，但由于功能性材料的特殊性，對加工工藝、加工設備要求極高，甚至有些功能性材料由于自身熱性能的限制無法直接加入塑料中。特別是一些用于生物醫療的復雜器件、導電材料、溫控材料、形變記憶材料采用傳統制造方法難以滿足要求。通過選擇3D打印成型，不但可以得到復雜形狀的智能材料，而且通過復合使具有功能的材料在3D打印成型時直接填入塑料。
如將電磁場、溫度場、濕度、光、p H值等敏感材料通過3D打印用于塑料獲得智能材料;利用有機聚合物將金屬粉末粘接制備具有形狀記憶功能的合金;在生物醫療領域，利用3D打印技術制備雙管道聚乳酸/β-磷酸三鈣生物陶瓷復合材料支架，具有可控的多孔結構，力學性能明顯增強。英國華威大學研制出一種新型導電塑料復合材料，而這種材料的最大特點是可供人們打印符合自己意愿的電子產品，從而減少不必要的電子廢棄物。另外，塑料通過功能化利用3D技術可以制作高分子光伏材料、高分子光電材料、高分子儲能材料等。
3D打印塑料的發展趨勢
由于塑料自身強度的限制，塑料材料在3D打印中的應用目前僅限于普通制品。但隨著3D打印技術的發展，傳統塑料的性能被大幅提升，依靠塑料強大的快速熔融沉積和低溫粘接特性將被廣泛應用到3D打印制造領域。除了塑料自身可以通過3D打印制品外，在玻璃、陶瓷、無機粉體、金屬等的3D打印都需要依靠塑料的粘接性來完成。塑料材料將向高強度發展，通過提高改性塑料的強度，可被用來直接替換金屬用于各類復雜構件，既便宜又質輕，甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品，從而使塑料材料在3D制造中被廣泛應用。
除此之外，塑料材料可避開低強度的缺陷，向復合化、功能化發展，特別是實現多元材料復合、從而賦予塑料特定功能。通過3D打印技術可以制造工藝復雜的智能材料、光電高分子材料、光熱高分子材料、光伏高分子材料、儲能高分子材料等新材料。利用生物塑料的生物相容性，可以向醫學人體組織發展。3D打印在細胞、軟組織、器官、骨骼方面具有巨大的空間，尤其是組織工程應用中具有獨特的優勢。在今后10～20年，改性塑料材料將仍是3D打印的主流材料并在3D打印的浪潮中獲得跨越性的發展。

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