俄罗斯科学院有机化学研究所建立3D打印应用的溶剂相容性图表

来源：广西增材制造协会

俄罗斯科学院有机化学研究所的研究人员Kirill S.Erokhin，Evgeniy G.Gordeev和Valentine P.Ananikov深入研究了3D打印科学的新水平，在最近发表的《揭示层状相互作用》中概述固液界面上的聚合物材料，用于建立3D打印应用的溶剂相容性图表。”

3D打印零件的强度和稳定性是当今用户不断完善的领域，研究人员已对材料进行了大量实验，以弄清楚如何获得更好的结果，创建新算法，研究孔隙率的成因和影响以及解决方法。消除结构缺陷。这项研究的重点是化学物质的作用，但是作者评估了热塑性塑料对各种溶剂的反应。

尽管制造几乎任何种类的零件或原型都存在明显的挑战，但在许多应用（例如医学和相关领域，例如组织工程、航空航天、汽车、农业等）中，好处可能是巨大的，并且具有巨大的潜力。无限创新但是，对于关键应用中使用的功能部件，必须确保其稳定性。在打印过程中，微结构可能会改变，孔隙率可能会影响质量，暴露于有机溶剂中可能会导致化学分解。

诸如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯砜（PPSU）和聚醚酰亚胺（Ultem）之类的材料可能显示出耐化学性并显示出优异的机械性能，但是对于大多数“超级建筑材料”，需要定制的昂贵3D打印机来维持高温（成功制造所需的温度为350-400摄氏度）。

“此外，这种材料本身很昂贵（与传统的生产级热塑性塑料相比），这使得它们的日常使用不是很普遍。尽管对低收缩的高强度，耐化学腐蚀的FDM材料有很高的要求，但在其开发方面的努力仍然有限。”研究人员解释说。

作为一个重要的限制，3D打印非常不适合生产要暴露于液体介质的塑料物体。限制是由于塑料对液体化学物质的敏感性。”

简单调整打印参数可以提供解决方案，即使在大量暴露于溶剂的情况下，也可以使结构更合理。作者使用圆柱部分和相同的3D打印副本进行了比较模型实验。

当他们将零件浸入DCM中时，3D打印的零件开始迅速失去其完整性。

FDM零件在液体介质中的稳定性测试表示。（a）通过标准挤压技术制成的PLA零件； （b）通过FDM 3D打印在本作品中制成的PLA零件； （c）直径为2.85mm的挤压件（左）和FDM打印件（右）的宏观照片；（d，e）分别使用3D打印部件（挤压系数k = 0.9）和使用黄铜圆柱体作为完整性指标的挤压部件在DCM中的耐化学性测试的快照（补充影片S1，S2） ; （f）基于FDM的增材制造的原理；（g）通过FDM生产的分层结构，（h）由于与溶剂的相互作用而破坏了3D打印的表面。

使用Picaso 3D Designer Pro 250打印机创建了样本，并提供了有关材料的以下信息：

使用ABS，SBS，PLA，尼龙，PP，PE，PETG，HIPS，POM和Primalloy进行的打印是通过使用0.3mm的喷嘴在0.2mm的层高度完成的。使用填充的塑料PLA-Cu，尼龙-C和Ceramo进行的打印是通过使用0.5mm的喷嘴，层高为0.35mm的来完成的。”

最终，使用了12种不同的溶剂：

• 二氯甲烷（DCM）
• 四氢呋喃（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
• 氢氧化钠
• 水
  

以金属珠作为完整性指标来破坏DCM中的ABS零件的示例。 （a）一系列快照；（b）相应的曲线反映了3D打印的蓝色圆柱体由于破坏过程而增加的可见面积（横轴表示实验时间，纵轴表示实际与初始面积之比）；（c）圆形图的示例：ABS作为一种不稳定的材料（红色），以及更稳定的材料的一般符号（蓝色和绿色）。

这组作者解释说：“制造方式（传统与3D打印）对于与液体接触的真实性能至关重要。”他们解释说，“简单的溶剂相容性表”是不够的。

其他聚合物材料也进行了测试，具有最高的耐化学性包括：PP，PE，POM，尼龙和尼龙C。或者，FDM材料（例如PLA，ABS，SBS和HIPS）显示出较小的耐溶剂性。

暴露在有机和无机溶剂中1μh时FDM零件区域变化的圆图。1.材料在实验过程中坍塌（ΔS> 20％）：物体因溶解，崩解和/或分层而变形。 2.该材料在实验过程中显示出中等稳定性（ΔS= 2–20％），外层溶胀或溶解程度较小，但形状保持令人满意；3.材料在实验过程中是稳定的（ΔS<％2％）：物体保持其形状，并且未观察到外层的溶解（请参阅补充影片S3）。

Primalloy（一种弹性体）表现出“中等强度”，而PETG则对丙酮和甲苯以及乙酸乙酯和DCM具有抵抗力。

所指出的破坏的主要类型是崩解、分层、分子溶解和溶胀，其中“破坏情景”被记录为热塑性塑料和溶剂之间的关系，以及诸如PLA在DCM中溶解但在丙酮中分层的方式之类的差异。

“所有经过测试的材料都对水、酸性和碱性水溶液以及乙醇具有抵抗力，这使其可以暴露于水性反应介质中。同时，PLA，PLA-Cu，ABS，SBS，Ceramo，HIPS和Primalloy零件与丙酮，乙酸乙酯，甲苯，DMF，THF和DCM不相容。

可以通过三种方式提高打印零件对溶剂的抵抗力。首先，可以通过添加剂对聚合物进行改性，以保护其免受溶剂作用。其次，可以通过合理选择3D打印参数来防止溶剂的影响，因为降低的孔隙率会阻止溶剂的渗透。另外，可以通过调整零件的几何形状来减轻溶剂的影响。”

挤压系数k对FDM零件的结构完整性的影响。（a）由PLA制成的圆筒形零件的壁厚取决于挤压倍数的变化；（b）由PLA制成的圆柱形零件的壁结构完整性变化；（c）由ABS制成的圆柱形试管壁厚的变化；（d）改变由ABS制成的圆柱形试管的壁结构完整性；（e）FDM试管的完整G代码的图形表示；（f）F代码试管壁上接缝点的G代码定义分布； （g）FDM试管的单层结构，接缝位置用红色箭头表示。