3D打印材料及其應(yīng)用概述(2)

3D打印用光敏樹脂主要采用的是自由基聚合的丙烯酸酯體系。商業(yè)化的丙烯酸酯有多種類型，需要根據(jù)不同的需求對配方進(jìn)行調(diào)整。總體而言，3D 打印用的光敏樹脂有以下幾點(diǎn)要求：
（1）固化前性能穩(wěn)定，一般要求可見光照射下不發(fā)生固化；
（2）反應(yīng)速度快，更高的反應(yīng)速率可以實(shí)現(xiàn)高效率成形；
（3）粘度適中，以匹配光固化成形裝備的再涂層要求；
（4）固化收縮小，以減少成形時(shí)的變形及內(nèi)應(yīng)力；
（5）固化后具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性；
（6）毒性及刺激性小，以減少對環(huán)境及人體的傷害。
除此之外，在一些特殊的應(yīng)用場合還會(huì)有一些其他的需求，如應(yīng)用于鑄造的光敏樹脂要求低灰分甚至無灰分，再如應(yīng)用牙科矯形器或植入物制造的樹脂要求對人體無毒或可生物降解等性能。目前市面上銷售的光敏樹脂種類多樣，能夠滿足不同領(lǐng)域的需求。
熱塑性聚合物是最常見的3D 打印材料之一，常見的3D打印用熱塑性聚合物有丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料（丙烯腈-丁二烯）、聚乳酸（PLA）、聚酰胺（尼龍）（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚苯砜（PPSF）、熱塑性聚氨酯（彈性橡膠）、聚醚醚酮（PEEK）等。
根據(jù)3D 打印方法的不同，要求材料的形態(tài)也有所不同。熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）使用的是絲材，激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）則使用的是粉材。由于工業(yè)上常用的聚合物原料大多以顆粒為主，制成絲材或粉材都要進(jìn)行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些單位開始研發(fā)以顆粒為原料的3D打印裝備。下面對幾種有代表性的材料進(jìn)行介紹。
PLA 和丙烯腈-丁二烯 是FDM 最常用的耗材，因價(jià)格便宜而十分普及。丙烯腈-丁二烯 是常見的工程塑料，具有較好的機(jī)械性能，但3D 打印條件要求苛刻，在打印過程中容易產(chǎn)生翹曲變形，且易產(chǎn)生刺激性氣味。PLA 是可降解的環(huán)保塑料，打印性能較好，是一種較為理想的3D 打印熱塑性聚合物，已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、建筑、模具設(shè)計(jì)等行業(yè)。除此之外，PLA 還具有良好的生物相容性，加入羥基磷灰石改性的PLA可用于組織工程支架的制造。

PA是一種半晶態(tài)聚合物，經(jīng)SLS成形后能得到高致比重且高強(qiáng)度的部件，是SLS 的主要耗材之一。SLS中所使用的PA需具有較高的球形度及粒徑均勻性，通常采用低溫粉碎法制備得到。通過加入玻璃微珠、粘土、鋁粉、碳纖維等無機(jī)材料可制備出PA復(fù)合粉末，這些無機(jī)填料的加入能顯著提高某些方面的性能，如強(qiáng)度、耐熱性能、導(dǎo)電性等，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
PCL 是一種無毒、低熔點(diǎn)的熱塑性塑料，PCL絲材主要作為兒童使用的3D打印筆的耗材，因成形溫度較低（80~100°C）而有較高的安全性。值得一提的是，PCL具有優(yōu)異的生物相容性和降解性，可以作為生物醫(yī)療中組織工程支架的材料，通過摻雜納米羥基磷灰石等材料還能夠改善力學(xué)性能及生物相容性。除此之外PCL 材料還具有一定的形狀記憶效應(yīng)，在4D打印方面有一定的潛力。
彈性橡膠 是一種具有良好彈性的熱塑性聚合物，其硬度范圍寬且可調(diào)，有一定的耐磨性、耐油性，適用于鞋材、個(gè)人消費(fèi)品、工業(yè)部件等的制造。結(jié)合3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)成形工藝難以制造的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，使得制件擁有獨(dú)特且可調(diào)控的力學(xué)性能。采用SLS 工藝打印的多孔結(jié)構(gòu)彈性橡膠鞋墊的彈性性能和使用強(qiáng)度已達(dá)到市場使用標(biāo)準(zhǔn)。
PEEK 是一種半晶態(tài)聚合物，具有高熔點(diǎn)（343°C）和優(yōu)異的力學(xué)性能，生物相容性也十分優(yōu)秀， 是目前研究較熱的3D 打印材料。純PEEK 的楊氏模量為3.86±0.72 GPa，經(jīng)碳纖維增強(qiáng)后可達(dá)21.1±2.3 GPa，與人骨的楊氏模量最為接近，可以有效避免植入人體后與人骨產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋以及松動(dòng)現(xiàn)象，是一種理想的骨科植入物材料。采用3D 打印技術(shù)制造的PEEK 植入體（圖1）能夠很好地滿足不同病人不同病情的個(gè)性化植入物訂制需求，目前國內(nèi)3D打印PEEK植入物已經(jīng)在臨床上取得了較好的效果。http://www.ezby3d.com/ 武漢易制科技有限公司官網(wǎng)