困擾全球客戶的3D列印材料技術難題是如何被攻克的？

3D列印，又稱增材製造，是以數字模型文件為基礎，將材料逐層堆積形成三維實體的技術，它對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生了深刻影響，是製造領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為「具有工業革命意義的製造技術」。目前，3D列印已經被廣泛應用於學校教育、產品設計、醫療、航空等領域。

當前，全球範圍內新一輪科技革命與產業革命正在萌發，世界各國紛紛將增材製造作為未來產業發展的新增長點，推動增材製造技術與信息網路技術、新材料技術、新設計理念的加速融合。全球製造、消費模式開始重塑，增材製造產業將迎來巨大的發展機遇。與發達國家相比，我國增材製造產業尚存在關鍵技術滯後、創新能力不足、高端裝備及零部件質量可靠性有待提升、應用廣度深度有待提高等問題。

目前，我國高度重視增材製造產業，將其作為《中國製造2025》的發展重點。為貫徹落實《中國製造2025》，推進我國增材製造產業快速可持續發展，加快培育製造業發展新動能，2017年11月，國家十二部委聯合制定了《增材製造產業發展行動計劃（2017－2020年）》，計劃內容當中的基本原則和重點任務的第一點就是強化創新，提高創新能力。

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）澱粉為主要原料合成的半結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，其降解產物為CO2和H2O，其廢棄物不會對環境造成污染，PLA材料的生命循環如圖1所示。PLA材料可通過傳統的擠出、吹塑、注塑、3D列印等成型方式進行加工，被廣泛應用於餐具、包裝、3D列印等領域。目前，3D列印成形原理主要包括FDM型／SLS型／SLA型三種，3D列印成型主要由印表機和材料組成，印表機是輔助成型的工具，材料才是關鍵。材料種類和性能的制約，是影響3D列印發展的重要影響因素，也是目前3D列印材料發展的現狀。下面主要介紹FDM列印成型所採用的PLA材料，PLA材料是目前很受歡迎的材料，也是FDM列印成型中使用最多的材料，佔到70％以上。

圖1 PLA生命循環圖

PLA材料之所以能被FDM列印成型，其一是因為有較低的收縮率，使得列印成型件的尺寸穩定性較好，比如成型件無翹曲無開裂的現象；其二是因為其環保性，包括合成的單體來源和生物可降解性，使得列印時沒有刺鼻的氣味，其廢棄物也可以被降解成對環境無污染的物體；其三是因為其較弱的結晶能力，使得材料在列印出料時的冷卻定型速度與印表機的供料速度相匹配，進而使得列印不會出現堵塞印表機噴嘴的現象。

但是，由於PLA材料韌性較差的缺點，導致PLA材料在列印的過程中，也會出現一系列的問題。比如PLA材料在擠出加工成線條，放置2個月後，會出現脆斷或不穩定韌性的現象，導致客戶在列印的過程中出現線條卡斷或自動斷裂的現象，自動斷裂如圖2所示，嚴重影響正常列印。

圖2 線條自動斷裂圖

PLA線條材料的韌性差，是市場上最為普遍又嚴重的問題。針對這個缺點，很多公司都在進行改性優化，但是仍然未有明顯的改善。3D印表機技術本身就是一項創新的成型製造技術，但是如果材料沒有創新的話，是很難滿足客戶的不同需求的，最終也會導致3D列印行業發展緩慢或終止。

材料韌性差，一般的思維都是直接增韌改性，提高衝擊強度值，這也是傳統改性通用的原理，但是經過很多次的試驗驗證，3D列印PLA材料即使衝擊強度值通過改性提高几倍甚至幾十倍，在從改性顆粒生產成線條後，放置2個月以上，仍然會出現發脆或不穩定韌性的現象。還有一個更為重要的問題就是增韌劑的大量添加，一方面會導致列印成型件發生翹曲的現象，這是因為增韌劑的加入提高了材料的收縮率，另一方面會影響材料的流動性，使得列印材料的溫度不得不提高，超過了PLA材料本來的列印溫度。

金暘3D研發團隊，首先對PLA材料的分子結構，降解原理進行了大量的資料搜索和研究，再結合3D列印成型所必須要滿足的基本條件，制定了特殊的開發方案，我們制定方案的思路如下：

一、增韌劑的選擇

1、從分子結構方面考慮：增韌劑結構中要有能與PLA所含基團發生反應的基團，使得增韌效果更為明顯。

2、從生物降解原理方面考慮：增韌劑結構中盡量不含有易吸水的基團，因為水分會促進PLA材料的降解，最終會加快材料韌性的衰減速率。

二、降解抑製劑的選擇

從分子結構方面考慮：加入帶有擴鏈劑作用的助劑或可以封端PLA官能團的助劑。

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，可以實現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結晶的作用，否則冷卻速度的加快，很可能會導致材料在列印的過程中出現堵塞噴嘴的現象。

四、從3D列印標準線條的生產考慮

所有的助劑不能加入太多，否則會影響線條生產時線徑的穩定性，比如線條尺寸的公差偏大，最終無法滿足印表機的正常輸送進料。

五、從列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，否則由於填充物的分散問題，導致線條材料列印成型件的表面精度變差，比如表面粗糙，有明顯的顆粒。

根據以上思路，我們制定的特殊方案，經過多次的試驗和客戶驗證，終於成功開發出一款高韌性保持率的PLA材料，也是目前市場上極具創新性的材料，攻克了3D列印PLA線條材料發脆這一技術難題，真正解決了3D列印客戶長久以來的困擾，此項創新技術屬於全球首創。

經過實際的驗證得出以下結果：金暘高韌性保持率PLA材料，在空氣當中放置8個月以上，也不會出現發脆或不穩定韌性的現象，此款材料具有較高的韌性保持率、良好的列印效果，而且解決了列印支撐難去除的問題；同時，它也可以直接代替部分添加鈦白粉而成的白色材料。由於該款材料未添加難分散的鈦白粉，進而使得列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重要原因。

金暘PLA材料生產的線條及列印成型如圖3所示。所示

圖3 PLA列印線條及列印成型圖

由於生產FDM－3D材料的進入門檻比較低，導致很多PLA材料生產商湧入這個行業，同質化問題越來越嚴重，卻始終缺少一款客戶真正滿意的好產品。金暘3D研發團隊正是基於這個行業痛點，從客戶需求出發，以技術創新為核心，經過長時間的前期研究、論證才構思出研發創新思路，制定出研發方案，再經過反覆多次的試驗和客戶驗證，最終開發出具有技術領先性、充分滿足客戶需求的好材料。

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