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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 3D打印

高性能3D打印多了一種新“墨水”

發布日期：2022-10-09 點擊率：61

對于3D打印技術的認識和發源，我們要穿梭回19世紀。據文獻記載，快速原型技術（即3D打印技術）的核心理念最早起源于19世紀的照相雕塑技術和地貌成型技術（圖1），而直到20世紀80年代才真正被實現，并起學名為“Rapid Prototyping（快速原型）”。根據其與傳統制造方式的區別，3D打印技術還被叫做Additive Manufacturing（增材制造），其定義為一種基于3D設計模型文件，運用不同的打印制造技術、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來制造物體的技術（見圖2所示）。

圖1 地貌成型原理

圖2 3D逐層堆積打印技術原理

3D打印技術制造的基本過程包括三步：數字化三維建模、對三維模型進行切片處理和逐層制造成型。經過幾十年的發展和技術革新，基于不同的材料和性能需求，3D打印制造技術已經發展出熔融沉積式( Fused deposition modeling，FDM)、選擇性激光熔化成型( Selective laser melting, SLM)、立體平板印刷（Stereolithography，SLA）以及數字光處理( Digital-Light Processing, DLP)等四大主要成型技術，圖3給出了四類成型技術的成型原理示意圖。

圖3 四類主要3D打印成型技術制造原理圖

相對于傳統制造技術，使用3D打印技術制造三維產品具有節省材料，成型精度較高，無需復雜制件、傳統的刀具、夾具、機床或任何模具等優點。此外，3D打印無需集中的、固定的制造車間，具有分布式生產的特點，且能在數小時內成形組裝好產品。因此，3D打印技術已經在工業造型、機械制造、航天航空、軍事、建筑、醫學、文化藝術及考古等領域得到了廣泛的應用，圖4展示了目前3D打印技術的應用領域及制件，隨著技術的發展和革新，其應用領域將不斷拓展。

圖4 3D打印技術應用領域及制件

DLP和SLA是3D打印技術發展最早的成型技術，是一種光固化輔助成型技術，具有成型速度快、精度高等優點，主要采用液態光固化樹脂材料。光固化3D打印的核心問題在于光敏樹脂的開發。3D打印用光敏樹脂必須揮發性小、粘度低、穩定性好、固化快、收縮率低，固化后有較好的力學性能及熱穩定性；此外，打印過程及其成型制品應該無毒、無刺激性氣味等。目前用于3D打印的光敏樹脂主要是丙烯酸樹脂、環氧樹脂及聚酯樹脂等系列的光固化樹脂材料，可以成型出航天航空用葉片、齒輪等結構零件，然而該系列材料不具有耐高溫特性，使得此系列樹脂打印成型零件及制品只能作為模具或模型而不能滿足實際需求，從而大大限制了其應用和發展。因此，如何尋找和制備并打印出高溫下使用的航天航空零件的耐高溫墨水迫在眉睫。

幸運的是，作為21世紀最有前途的材料之一——聚酰亞胺，具有優異的機械性能、耐高溫性、抗化學腐蝕及優良介電特性等特點，已被廣泛應用于航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。但受制于難溶解、難熔融等加工問題，國內外在3D打印聚酰亞胺材料研發方面進展緩慢，市場上目前尚無此類產品。中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室表界面研究團隊近日的研發成果填補了此項空白，他們研發了適用于DLP、SLA等光固化3D打印的高性能聚酰亞胺光敏樹脂材料，相關論文 SolventFree and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing 在線發表在Journalof Materials Chemistry A 雜志上（DOI: 10.1039/C7TA01952A）。

研究人員從聚酰亞胺分子結構設計出發，采用端基封端和側基修飾等方法既控制了聚酰亞胺分子量賦予了其優異的溶解性能，同時又引入了活性基團使其具有可快速光固化能力，從而發展了適用于SLA、DLP等光固化3D打印技術的聚酰亞胺墨水材料（見圖5所示）。該3D打印聚酰亞胺墨水材料成型精度高、表面質量好，且具有優異的耐熱性能，在300oC烘箱處理或熱油浸泡后不會發生斷裂和彎曲變形，可有效解決現有市售光固化3D打印的樹脂材料機械強度差、耐高溫性差、易吸濕膨脹、耐化學穩定性不佳，以及大多只能在100oC以下環境中使用等問題，從而突破了采用3D打印技術可直接使用零部件制造的瓶頸問題。

蘭州化物所材料表界面研究團隊持續推出的系列高性能3D打印聚酰亞胺墨水材料為3D打印先進制造技術在相關領域的高精度、高耐熱性、高強度的復雜結構零件和機構的直接快速成型制造提供了新的機遇。在前期表面功能化3D打印以及高性能3D打印材料的基礎上，該研究團隊正與國內著名高校和科研院所合作進行抗輻照機構、慣性儀器儀表陀螺儀和核武器開關部件微系統傳動機構3D打印快速成型制造研究。