【詳解】3D打印浪潮下改性塑料的發(fā)展前景

2017年5月22日，馬來西亞馬印航空完成了波音737MAX8的首次商業(yè)飛行，開啟單通道飛機(jī)市場(chǎng)的新時(shí)代。5月16日，波音公司剛在西雅圖慶祝了這架飛機(jī)的交付。這個(gè)暢銷的機(jī)型迄今為止已經(jīng)獲得來自全球87家客戶的3700多架訂單。與此同時(shí)，美國(guó)通用電氣公司(下稱“GE”)航空總部的工程師們?nèi)栽诼耦^研究3D打印技術(shù)。

就在這之前，他們用3D打印機(jī)“打印”出的19個(gè)燃油噴嘴被安裝到了737MAX的LEAP-1B引擎中，這一技術(shù)代表著迄今為止增材制造(即3D打印)在航空工業(yè)最具標(biāo)志性的應(yīng)用。來不及慶祝，他們又踏上了新的征途。此前，GE相關(guān)負(fù)責(zé)人曾表示，到2020年，3D打印的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴將達(dá)到4萬個(gè)。

在汽車領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)按需制造汽車零部件正在成為一種趨勢(shì)。戴姆勒公司迄今為止3D打印的汽車零部件已經(jīng)達(dá)到了780個(gè)(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(shù)的讓他們?cè)谥圃靷溆闷�車部件上變得更加快速、靈活和經(jīng)濟(jì)，尤其是針對(duì)個(gè)別客戶的需求來說。相比之下，傳統(tǒng)的注射成型工藝就顯得“臃腫”了許多，因?yàn)樗�不但需要開發(fā)額外的工具，而且會(huì)造成大量的材料浪費(fèi)和庫(kù)存堆積。

“分散式制造”趨勢(shì)下的3D打印浪潮
3D打印為什么會(huì)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)造成沖擊?3D打印技術(shù)公司Hubs聯(lián)合創(chuàng)始人布拉姆·茲瓦特舉了一個(gè)形象的例子：“通過在家里附近的3D打印技術(shù)公司定制商品，不一會(huì)公司就能打印出來送到你的樓下了。那么，工廠基本都會(huì)倒閉。與其把1000臺(tái)機(jī)器放在同一個(gè)地方，為什么不把1000臺(tái)機(jī)器放在1000個(gè)地方呢?”而戴勒姆公司負(fù)責(zé)人HartmutSchick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(jī)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(yīng)客戶需求的能力，同時(shí)也幫助我們省下了原先必需花在零部件運(yùn)輸方面的成本�！�

布拉姆·茲瓦特提到的是“分散式制造”(DistributedManufacturing)的場(chǎng)景。早在2015年的達(dá)沃斯論壇上，“分散式制造”被列為最重要的技術(shù)趨勢(shì)之一。根據(jù)普華永道近日公布的最新調(diào)查報(bào)告，美國(guó)國(guó)內(nèi)制造商在不同程度上使用3D打印技術(shù)的占總數(shù)大約2/3，與2014年以前35%的比例相比已經(jīng)大大增加，其中，56%的人認(rèn)為未來3-5年內(nèi)會(huì)有超過半數(shù)的同行使用3D打印。西門子公司預(yù)計(jì)，未來五年內(nèi)，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(rèn)為，盡管3D打印的市場(chǎng)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(gè)數(shù)目將達(dá)到134億美元(約合人民幣922.3億元)。

新材料開發(fā)與優(yōu)化仍是3D打印主要挑戰(zhàn)
盡管從被過度吹捧的炒作期進(jìn)入到相對(duì)成熟期，3D打印技術(shù)未來依然充滿挑戰(zhàn)。上述普華永道報(bào)告指出，受訪制造商表示，3D打印技術(shù)存在的障礙有設(shè)備成本過高，缺乏專業(yè)人才和技術(shù)，最終產(chǎn)品質(zhì)量不確定度和打印機(jī)速度等。值得一提的是，幾乎同一時(shí)間，制造商認(rèn)為產(chǎn)品質(zhì)量的不確定是最大的障礙(47%)，其次是缺乏專業(yè)人才和技術(shù)，然后才是成本問題。產(chǎn)品質(zhì)量的不確定除了受到加工工藝的穩(wěn)定性影響之外，根本原因還是由于現(xiàn)有材料還無法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中完全適應(yīng)3D打印工藝的所有要求。

由于塑料材料良好的熱流動(dòng)性、快速冷卻粘接性、較高的機(jī)械強(qiáng)度，在3D打印制造領(lǐng)域得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。塑料材料的熔融粘結(jié)特性逐步將樹脂塑料用于陶瓷、玻璃、無機(jī)凝膠、纖維、金屬等，成為3D打印的基礎(chǔ)材料�？梢灶A(yù)見，塑料類3D打印耗材的技術(shù)發(fā)展必將大大助力3D打印行業(yè)的發(fā)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(fā)展機(jī)遇。

3D打印塑料種類
不同于傳統(tǒng)塑料材料，3D打印技術(shù)對(duì)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(dòng)性，3D打印成型后通過凝固、聚合、固化等形成具有良好的強(qiáng)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(yù)聚體樹脂、高分子凝膠等。結(jié)合改性塑料的行業(yè)發(fā)展，小編將主要介紹在3D打印中應(yīng)用的工程塑料與生物塑料。

工程塑料：工程塑料因良好的強(qiáng)度、耐候性和熱穩(wěn)定性使其應(yīng)用范圍較廣，尤其是用以制備工業(yè)制品，因此工程塑料成為目前應(yīng)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)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(nèi)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(dòng)性、快速凝固特性、不易堵噴嘴、環(huán)保型、生物相容性，在生物醫(yī)療制品的3D打印制造中得到很好的應(yīng)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(yīng)用于3D打印，但由于每種塑料的特性存在差異，導(dǎo)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(yīng)用于3D打印的因素主要有：打印溫度高、材料流動(dòng)性差，導(dǎo)致工作環(huán)境出現(xiàn)揮發(fā)成分，打印嘴易堵，影響制品精密度;普通的塑料強(qiáng)度較低，適應(yīng)的范圍太窄，需要對(duì)塑料做增強(qiáng)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(yīng)用。3D打印產(chǎn)業(yè)的關(guān)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(qiáng)度的影響，塑料材料適應(yīng)領(lǐng)域有限，成品的物理機(jī)械特性較差;需要高溫加工、低溫流動(dòng)性差、固化慢、易變形、精密度低;缺少塑料在新材料領(lǐng)域的拓展。為此，3D打印塑料改性技術(shù)的發(fā)展目前主要有以下四個(gè)方向。

1.流動(dòng)性改性
為了實(shí)現(xiàn)塑料的流動(dòng)改性，可以參考利用潤(rùn)滑劑等進(jìn)行改性。但由于使用過多的潤(rùn)滑劑會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)分增加，切削弱制品的剛性和強(qiáng)度，因此通過加入高剛性、高流動(dòng)性的球形的硫酸鋇、玻璃微珠等無機(jī)材料可以彌補(bǔ)塑料流動(dòng)性差的缺陷。對(duì)粉末塑料可采用粉體表面包覆片狀無機(jī)粉體如滑石粉、云母粉等以增加流動(dòng)性。另外，可在塑料合成時(shí)直接形成微球，以確保流動(dòng)性。

2.增強(qiáng)改性
通過補(bǔ)強(qiáng)材料可以提升塑料的剛性和強(qiáng)度。如通過玻璃纖維、金屬纖維、木質(zhì)纖維用于增強(qiáng)ABS的增強(qiáng)使復(fù)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(jié)，可以通過復(fù)合多種材料進(jìn)行增強(qiáng)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(shí)間與結(jié)晶性密切相關(guān)。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(fù)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(lǐng)域應(yīng)用受到限制。但如果賦予塑料一些功能，會(huì)大大拓展塑料在3D打印制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。如傳統(tǒng)功能性塑料制品通常在加工時(shí)混入功能性材料，但由于功能性材料的特殊性，對(duì)加工工藝、加工設(shè)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(yī)療的復(fù)雜器件、導(dǎo)電材料、溫控材料、形變記憶材料采用傳統(tǒng)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(fù)雜形狀的智能材料，而且通過復(fù)合使具有功能的材料在3D打印成型時(shí)直接填入塑料。

如將電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度、光、pH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(jī)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(yī)療領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)制備雙管道聚乳酸/β-磷酸三鈣生物陶瓷復(fù)合材料支架，具有可控的多孔結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。英國(guó)華威大學(xué)研制出一種新型導(dǎo)電塑料復(fù)合材料，而這種材料的最大特點(diǎn)是可供人們打印符合自己意愿的電子產(chǎn)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(shù)可以制作高分子光伏材料、高分子光電材料、高分子儲(chǔ)能材料等。

3D打印塑料的發(fā)展趨勢(shì)
由于塑料自身強(qiáng)度的限制，塑料材料在3D打印中的應(yīng)用目前僅限于普通制品。但隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)塑料的性能被大幅提升，依靠塑料強(qiáng)大的快速熔融沉積和低溫粘接特性將被廣泛應(yīng)用到3D打印制造領(lǐng)域。除了塑料自身可以通過3D打印制品外，在玻璃、陶瓷、無機(jī)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(qiáng)度發(fā)展，通過提高改性塑料的強(qiáng)度，可被用來直接替換金屬用于各類復(fù)雜構(gòu)件，既便宜又質(zhì)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(yīng)用。

除此之外，塑料材料可避開低強(qiáng)度的缺陷，向復(fù)合化、功能化發(fā)展，特別是實(shí)現(xiàn)多元材料復(fù)合、從而賦予塑料特定功能。通過3D打印技術(shù)可以制造工藝復(fù)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(chǔ)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(yī)學(xué)人體組織發(fā)展。3D打印在細(xì)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(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(fā)展。

來源：找塑料新材
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