俄羅斯科學院有機化學研究所建立3D打印應用的溶劑相容性圖表

來源：廣西增材制造協(xié)會

俄羅斯科學院有機化學研究所的研究人員Kirill S.Erokhin，Evgeniy G.Gordeev和Valentine P.Ananikov深入研究了3D打印科學的新水平，在最近發(fā)表的《揭示層狀相互作用》中概述固液界面上的聚合物材料，用于建立3D打印應用的溶劑相容性圖表�！�

3D打印零件的強度和穩(wěn)定性是當今用戶不斷完善的領域，研究人員已對材料進行了大量實驗，以弄清楚如何獲得更好的結果，創(chuàng)建新算法，研究孔隙率的成因和影響以及解決方法。消除結構缺陷。這項研究的重點是化學物質(zhì)的作用，但是作者評估了熱塑性塑料對各種溶劑的反應。

盡管制造幾乎任何種類的零件或原型都存在明顯的挑戰(zhàn)，但在許多應用（例如醫(yī)學和相關領域，例如組織工程、航空航天、汽車、農(nóng)業(yè)等）中，好處可能是巨大的，并且具有巨大的潛力。無限創(chuàng)新但是，對于關鍵應用中使用的功能部件，必須確保其穩(wěn)定性。在打印過程中，微結構可能會改變，孔隙率可能會影響質(zhì)量，暴露于有機溶劑中可能會導致化學分解。

諸如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯砜（PPSU）和聚醚酰亞胺（Ultem）之類的材料可能顯示出耐化學性并顯示出優(yōu)異的機械性能，但是對于大多數(shù)“超級建筑材料”，需要定制的昂貴3D打印機來維持高溫（成功制造所需的溫度為350-400攝氏度）。

“此外，這種材料本身很昂貴（與傳統(tǒng)的生產(chǎn)級熱塑性塑料相比），這使得它們的日常使用不是很普遍。盡管對低收縮的高強度，耐化學腐蝕的FDM材料有很高的要求，但在其開發(fā)方面的努力仍然有限。”研究人員解釋說。

作為一個重要的限制，3D打印非常不適合生產(chǎn)要暴露于液體介質(zhì)的塑料物體。限制是由于塑料對液體化學物質(zhì)的敏感性。”

簡單調(diào)整打印參數(shù)可以提供解決方案，即使在大量暴露于溶劑的情況下，也可以使結構更合理。作者使用圓柱部分和相同的3D打印副本進行了比較模型實驗。

當他們將零件浸入DCM中時，3D打印的零件開始迅速失去其完整性。

FDM零件在液體介質(zhì)中的穩(wěn)定性測試表示。（a）通過標準擠壓技術制成的PLA零件； （b）通過FDM 3D打印在本作品中制成的PLA零件； （c）直徑為2.85mm的擠壓件（左）和FDM打印件（右）的宏觀照片；（d，e）分別使用3D打印部件（擠壓系數(shù)k = 0.9）和使用黃銅圓柱體作為完整性指標的擠壓部件在DCM中的耐化學性測試的快照（補充影片S1，S2） ; （f）基于FDM的增材制造的原理；（g）通過FDM生產(chǎn)的分層結構，（h）由于與溶劑的相互作用而破壞了3D打印的表面。

使用Picaso 3D Designer Pro 250打印機創(chuàng)建了樣本，并提供了有關材料的以下信息：

使用ABS，SBS，PLA，尼龍，PP，PE，PETG，HIPS，POM和Primalloy進行的打印是通過使用0.3mm的噴嘴在0.2mm的層高度完成的。使用填充的塑料PLA-Cu，尼龍-C和Ceramo進行的打印是通過使用0.5mm的噴嘴，層高為0.35mm的來完成的。”

最終，使用了12種不同的溶劑：

• 二氯甲烷（DCM）
• 四氫呋喃（THF）
• 丙酮
• 二甲基甲酰胺（DMF）
• 甲苯
• 乙酸乙酯
• 三乙胺（TEA）
• 醋酸
• 乙醇
• 硫酸
• 氫氧化鈉
• 水
  

以金屬珠作為完整性指標來破壞DCM中的ABS零件的示例。 （a）一系列快照；（b）相應的曲線反映了3D打印的藍色圓柱體由于破壞過程而增加的可見面積（橫軸表示實驗時間，縱軸表示實際與初始面積之比）；（c）圓形圖的示例：ABS作為一種不穩(wěn)定的材料（紅色），以及更穩(wěn)定的材料的一般符號（藍色和綠色）。

這組作者解釋說：“制造方式（傳統(tǒng)與3D打�。�對于與液體接觸的真實性能至關重要�！彼麄兘忉屨f，“簡單的溶劑相容性表”是不夠的。

其他聚合物材料也進行了測試，具有最高的耐化學性包括：PP，PE，POM，尼龍和尼龍C。或者，F(xiàn)DM材料（例如PLA，ABS，SBS和HIPS）顯示出較小的耐溶劑性。

暴露在有機和無機溶劑中1μh時FDM零件區(qū)域變化的圓圖。1.材料在實驗過程中坍塌（ΔS> 20％）：物體因溶解，崩解和/或分層而變形。 2.該材料在實驗過程中顯示出中等穩(wěn)定性（ΔS= 2–20％），外層溶脹或溶解程度較小，但形狀保持令人滿意；3.材料在實驗過程中是穩(wěn)定的（ΔS<％2％）：物體保持其形狀，并且未觀察到外層的溶解（請參閱補充影片S3）。

Primalloy（一種彈性體）表現(xiàn)出“中等強度”，而PETG則對丙酮和甲苯以及乙酸乙酯和DCM具有抵抗力。

所指出的破壞的主要類型是崩解、分層、分子溶解和溶脹，其中“破壞情景”被記錄為熱塑性塑料和溶劑之間的關系，以及諸如PLA在DCM中溶解但在丙酮中分層的方式之類的差異。

“所有經(jīng)過測試的材料都對水、酸性和堿性水溶液以及乙醇具有抵抗力，這使其可以暴露于水性反應介質(zhì)中。同時，PLA，PLA-Cu，ABS，SBS，Ceramo，HIPS和Primalloy零件與丙酮，乙酸乙酯，甲苯，DMF，THF和DCM不相容。

可以通過三種方式提高打印零件對溶劑的抵抗力。首先，可以通過添加劑對聚合物進行改性，以保護其免受溶劑作用。其次，可以通過合理選擇3D打印參數(shù)來防止溶劑的影響，因為降低的孔隙率會阻止溶劑的滲透。另外，可以通過調(diào)整零件的幾何形狀來減輕溶劑的影響�！�

擠壓系數(shù)k對FDM零件的結構完整性的影響。（a）由PLA制成的圓筒形零件的壁厚取決于擠壓倍數(shù)的變化；（b）由PLA制成的圓柱形零件的壁結構完整性變化；（c）由ABS制成的圓柱形試管壁厚的變化；（d）改變由ABS制成的圓柱形試管的壁結構完整性；（e）FDM試管的完整G代碼的圖形表示；（f）F代碼試管壁上接縫點的G代碼定義分布； （g）FDM試管的單層結構，接縫位置用紅色箭頭表示。