【详解】3D打印浪潮下改性塑料的发展前景

2017年5月22日，马来西亚马印航空完成了波音737MAX8的首次商业飞行，开启单通道飞机市场的新时代。5月16日，波音公司刚在西雅图庆祝了这架飞机的交付。这个畅销的机型迄今为止已经获得来自全球87家客户的3700多架订单。与此同时，美国通用电气公司(下称“GE”)航空总部的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。

就在这之前，他们用3D打印机“打印”出的19个燃油喷嘴被安装到了737MAX的LEAP-1B引擎中，这一技术代表着迄今为止增材制造(即3D打印)在航空工业最具标志性的应用。来不及庆祝，他们又踏上了新的征途。此前，GE相关负责人曾表示，到2020年，3D打印的航空发动机燃料喷嘴将达到4万个。

在汽车领域，利用3D打印技术按需制造汽车零部件正在成为一种趋势。戴姆勒公司迄今为止3D打印的汽车零部件已经达到了780个(包括抽屉、盖层、固定条、适配器等)。下图的车载钞票收纳盒就是其中之一。戴勒姆公司表示，采用3D打印技术的让他们在制造备用汽车部件上变得更加快速、灵活和经济，尤其是针对个别客户的需求来说。相比之下，传统的注射成型工艺就显得“臃肿”了许多，因为它不但需要开发额外的工具，而且会造成大量的材料浪费和库存堆积。

“分散式制造”趋势下的3D打印浪潮
3D打印为什么会对传统制造业造成冲击?3D打印技术公司Hubs联合创始人布拉姆·兹瓦特举了一个形象的例子：“通过在家里附近的3D打印技术公司定制商品，不一会公司就能打印出来送到你的楼下了。那么，工厂基本都会倒闭。与其把1000台机器放在同一个地方，为什么不把1000台机器放在1000个地方呢?”而戴勒姆公司负责人HartmutSchick也表示，“3D打印正在改变我们制造汽车零部件的方式，”，“要知道3D打印机通常并不大，所以我们可以轻松将其配置到全球的任何一座工厂中。而这就让我们获得了更快速回应客户需求的能力，同时也帮助我们省下了原先必需花在零部件运输方面的成本。”

布拉姆·兹瓦特提到的是“分散式制造”(DistributedManufacturing)的场景。早在2015年的达沃斯论坛上，“分散式制造”被列为最重要的技术趋势之一。根据普华永道近日公布的最新调查报告，美国国内制造商在不同程度上使用3D打印技术的占总数大约2/3，与2014年以前35%的比例相比已经大大增加，其中，56%的人认为未来3-5年内会有超过半数的同行使用3D打印。西门子公司预计，未来五年内，3D打印成本将降至五成，而速度也将提高五倍。咨询公司Gartner认为，尽管3D打印的市场份额在2015年只有16亿美元(约合人民币110.1亿元)，到2018年，这个数目将达到134亿美元(约合人民币922.3亿元)。

新材料开发与优化仍是3D打印主要挑战
尽管从被过度吹捧的炒作期进入到相对成熟期，3D打印技术未来依然充满挑战。上述普华永道报告指出，受访制造商表示，3D打印技术存在的障碍有设备成本过高，缺乏专业人才和技术，最终产品质量不确定度和打印机速度等。值得一提的是，几乎同一时间，制造商认为产品质量的不确定是最大的障碍(47%)，其次是缺乏专业人才和技术，然后才是成本问题。产品质量的不确定除了受到加工工艺的稳定性影响之外，根本原因还是由于现有材料还无法在大规模工业化生产中完全适应3D打印工艺的所有要求。

由于塑料材料良好的热流动性、快速冷却粘接性、较高的机械强度，在3D打印制造领域得到快速的应用和发展。塑料材料的熔融粘结特性逐步将树脂塑料用于陶瓷、玻璃、无机凝胶、纤维、金属等，成为3D打印的基础材料。可以预见，塑料类3D打印耗材的技术发展必将大大助力3D打印行业的发展，而在3D打印的浪潮中，以改性塑料为耗材的3D打印材料也必将迎来大量发展机遇。

3D打印塑料种类
不同于传统塑料材料，3D打印技术对塑料材料的性能和适用性提出了更高要求，最基本的要求是通过熔融、液化或者粉末化后具有流动性，3D打印成型后通过凝固、聚合、固化等形成具有良好的强度和特殊功能性。适合于3D打印的塑料材料有工程塑料、生物塑料、热固性塑料、光敏树脂和预聚体树脂、高分子凝胶等。结合改性塑料的行业发展，小编将主要介绍在3D打印中应用的工程塑料与生物塑料。

工程塑料：工程塑料因良好的强度、耐候性和热稳定性使其应用范围较广，尤其是用以制备工业制品，因此工程塑料成为目前应用最广泛的3D打印材料，特别是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等最为常用。

生物塑料：3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羟基丁酸酯(PHB)、聚-羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯(PBS)、聚己内脂(PCL)等，具有良好的可生物降解性。由于生物塑料具有良好的流动性、快速凝固特性、不易堵喷嘴、环保型、生物相容性，在生物医疗制品的3D打印制造中得到很好的应用。

3D打印塑料的改性方向
目前几乎所有的通用塑料都可以应用于3D打印，但由于每种塑料的特性存在差异，导致3D打印的工艺以及制品性能受到影响。目前影响塑料材料应用于3D打印的因素主要有：打印温度高、材料流动性差，导致工作环境出现挥发成分，打印嘴易堵，影响制品精密度;普通的塑料强度较低，适应的范围太窄，需要对塑料做增强处理;冷却均匀性差，定型慢，易造成制品收缩和变形;缺少功能化和智能化的应用。3D打印产业的关键是材料，塑料材料作为3D打印最为成熟的材料，目前仍存在较多问题：受塑料强度的影响，塑料材料适应领域有限，成品的物理机械特性较差;需要高温加工、低温流动性差、固化慢、易变形、精密度低;缺少塑料在新材料领域的拓展。为此，3D打印塑料改性技术的发展目前主要有以下四个方向。

1.流动性改性
为了实现塑料的流动改性，可以参考利用润滑剂等进行改性。但由于使用过多的润滑剂会导致挥发分增加，切削弱制品的刚性和强度，因此通过加入高刚性、高流动性的球形的硫酸钡、玻璃微珠等无机材料可以弥补塑料流动性差的缺陷。对粉末塑料可采用粉体表面包覆片状无机粉体如滑石粉、云母粉等以增加流动性。另外，可在塑料合成时直接形成微球，以确保流动性。

2.增强改性
通过补强材料可以提升塑料的刚性和强度。如通过玻璃纤维、金属纤维、木质纤维用于增强ABS的增强使复合材料适合于3D熔融沉积工艺;粉末状塑料通常通过激光烧结，可以通过复合多种材料进行增强改性，包括添加玻璃纤维的尼龙粉、添加碳纤维的尼龙粉、尼龙与聚醚酮混合等。

3.快速凝固
塑料的凝固时间与结晶性密切相关。为了加快塑料3D熔融沉积后快速凝固成形，可以通过使用合理的成核剂以加快塑料定型凝固，也可以通过在塑料材料中复合不同热容的金属以加快凝固的速度。

4.功能化
塑料材料用于3D打印由于材料的特殊性，在一些领域应用受到限制。但如果赋予塑料一些功能，会大大拓展塑料在3D打印制造领域的应用范围。如传统功能性塑料制品通常在加工时混入功能性材料，但由于功能性材料的特殊性，对加工工艺、加工设备要求极高，甚至有些功能性材料由于自身热性能的限制无法直接加入塑料中。特别是一些用于生物医疗的复杂器件、导电材料、温控材料、形变记忆材料采用传统制造方法难以满足要求。通过选择3D打印成型，不但可以得到复杂形状的智能材料，而且通过复合使具有功能的材料在3D打印成型时直接填入塑料。

如将电磁场、温度场、湿度、光、pH值等敏感材料通过3D打印用于塑料获得智能材料;利用有机聚合物将金属粉末粘接制备具有形状记忆功能的合金;在生物医疗领域，利用3D打印技术制备双管道聚乳酸/β-磷酸三钙生物陶瓷复合材料支架，具有可控的多孔结构，力学性能明显增强。英国华威大学研制出一种新型导电塑料复合材料，而这种材料的最大特点是可供人们打印符合自己意愿的电子产品，从而减少不必要的电子废弃物。另外，塑料通过功能化利用3D技术可以制作高分子光伏材料、高分子光电材料、高分子储能材料等。

3D打印塑料的发展趋势
由于塑料自身强度的限制，塑料材料在3D打印中的应用目前仅限于普通制品。但随着3D打印技术的发展，传统塑料的性能被大幅提升，依靠塑料强大的快速熔融沉积和低温粘接特性将被广泛应用到3D打印制造领域。除了塑料自身可以通过3D打印制品外，在玻璃、陶瓷、无机粉体、金属等的3D打印都需要依靠塑料的粘接性来完成。塑料材料将向高强度发展，通过提高改性塑料的强度，可被用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品，从而使塑料材料在3D制造中被广泛应用。

除此之外，塑料材料可避开低强度的缺陷，向复合化、功能化发展，特别是实现多元材料复合、从而赋予塑料特定功能。通过3D打印技术可以制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料、储能高分子材料等新材料。利用生物塑料的生物相容性，可以向医学人体组织发展。3D打印在细胞、软组织、器官、骨骼方面具有巨大的空间，尤其是组织工程应用中具有独特的优势。在今后10～20年，改性塑料材料将仍是3D打印的主流材料并在3D打印的浪潮中获得跨越性的发展。

来源：找塑料新材
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