3D打印材料及其应用概述(2)

3D打印用光敏树脂主要采用的是自由基聚合的丙烯酸酯体系。商业化的丙烯酸酯有多种类型，需要根据不同的需求对配方进行调整。总体而言，3D 打印用的光敏树脂有以下几点要求：
（1）固化前性能稳定，一般要求可见光照射下不发生固化；
（2）反应速度快，更高的反应速率可以实现高效率成形；
（3）粘度适中，以匹配光固化成形装备的再涂层要求；
（4）固化收缩小，以减少成形时的变形及内应力；
（5）固化后具有足够的机械强度和化学稳定性；
（6）毒性及刺激性小，以减少对环境及人体的伤害。
除此之外，在一些特殊的应用场合还会有一些其他的需求，如应用于铸造的光敏树脂要求低灰分甚至无灰分，再如应用牙科矫形器或植入物制造的树脂要求对人体无毒或可生物降解等性能。目前市面上销售的光敏树脂种类多样，能够满足不同领域的需求。
热塑性聚合物是最常见的3D 打印材料之一，常见的3D打印用热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（尼龙）（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚己内酯（PCL）、聚苯砜（PPSF）、热塑性聚氨酯（弹性橡胶）、聚醚醚酮（PEEK）等。
根据3D 打印方法的不同，要求材料的形态也有所不同。熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）使用的是丝材，激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）则使用的是粉材。由于工业上常用的聚合物原料大多以颗粒为主，制成丝材或粉材都要进行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些单位开始研发以颗粒为原料的3D打印装备。下面对几种有代表性的材料进行介绍。
PLA 和丙烯腈-丁二烯 是FDM 最常用的耗材，因价格便宜而十分普及。丙烯腈-丁二烯 是常见的工程塑料，具有较好的机械性能，但3D 打印条件要求苛刻，在打印过程中容易产生翘曲变形，且易产生刺激性气味。PLA 是可降解的环保塑料，打印性能较好，是一种较为理想的3D 打印热塑性聚合物，已广泛应用于教育、医疗、建筑、模具设计等行业。除此之外，PLA 还具有良好的生物相容性，加入羟基磷灰石改性的PLA可用于组织工程支架的制造。

PA是一种半晶态聚合物，经SLS成形后能得到高致比重且高强度的部件，是SLS 的主要耗材之一。SLS中所使用的PA需具有较高的球形度及粒径均匀性，通常采用低温粉碎法制备得到。通过加入玻璃微珠、粘土、铝粉、碳纤维等无机材料可制备出PA复合粉末，这些无机填料的加入能显著提高某些方面的性能，如强度、耐热性能、导电性等，以满足不同领域的应用需求。
PCL 是一种无毒、低熔点的热塑性塑料，PCL丝材主要作为儿童使用的3D打印笔的耗材，因成形温度较低（80~100°C）而有较高的安全性。值得一提的是，PCL具有优异的生物相容性和降解性，可以作为生物医疗中组织工程支架的材料，通过掺杂纳米羟基磷灰石等材料还能够改善力学性能及生物相容性。除此之外PCL 材料还具有一定的形状记忆效应，在4D打印方面有一定的潜力。
弹性橡胶 是一种具有良好弹性的热塑性聚合物，其硬度范围宽且可调，有一定的耐磨性、耐油性，适用于鞋材、个人消费品、工业部件等的制造。结合3D打印技术可以制造出传统成形工艺难以制造的复杂多孔结构，使得制件拥有独特且可调控的力学性能。采用SLS 工艺打印的多孔结构弹性橡胶鞋垫的弹性性能和使用强度已达到市场使用标准。
PEEK 是一种半晶态聚合物，具有高熔点（343°C）和优异的力学性能，生物相容性也十分优秀， 是目前研究较热的3D 打印材料。纯PEEK 的杨氏模量为3.86±0.72 GPa，经碳纤维增强后可达21.1±2.3 GPa，与人骨的杨氏模量最为接近，可以有效避免植入人体后与人骨产生的应力遮挡以及松动现象，是一种理想的骨科植入物材料。采用3D 打印技术制造的PEEK 植入体（图1）能够很好地满足不同病人不同病情的个性化植入物订制需求，目前国内3D打印PEEK植入物已经在临床上取得了较好的效果。http://www.ezby3d.com/ 武汉易制科技有限公司官网