四川sls3d打印流程：怎样通过SLS打印技术成为建筑材料

文|渊溪的竹简

编辑|渊溪的竹简

自20世纪80年代以来，当代增材制造（AM）技术，通常被称为3D打印，而且这种技术逐渐兴起被大家熟知，它还能够使用于广泛的材料中，包括聚合物、金属、陶瓷、食品和生物材料。

它还有更重要的一点是，为三维打印提供了好几个优势，例如，能够直接生产物体，而无需完整的技术基础设施，并且还具备了制造复杂几何形状的产品能力，它不仅设计充满灵活性，还对材料的节约成本以及对生态环境都具有友好性。

我们还从实验中得知，在各种AM技术中，最重要的方法是立体光刻（SLA）和选择性激光烧结（SLS）以及熔融沉积建模（FDM），除了这些，我们还知道，基于光聚合的光固化法（Stereolithography）是增材制造中首先开发出的方法，并且使用的是紫外固化树脂作为建筑材料。

这里值得我们注意的是，与其他方法相比，该技术以高精度生产物体而闻名，并且选择性激光烧结（SLS）方法是一种基于粉末聚合物的打印技术，而在这种方法中，激光束沿特定路径移动，并在热的影响下逐层烧结聚合物粉末，然后直到形成三维膜。

在整个实验过程中，我们使用的都是热塑性丝作为建筑材料，并且将其安装在卷轴上并供给到喷头，然后当它达到适当的熔化温度时，打印过程就会通过一个特定直径的喷嘴逐层沉积熔融材料，直到达到所需形状和几何图形的三维物体。

从以上的数据中我们可以看出，在工业应用中，FDM技术使用热塑性丝是最受青睐的，而在之前我们所提到的所有方法中，由于设备（3D打印机）的低成本和易获取性、低价格和多种丝材的优点，FDM方法是最受青睐的。

然而，从技术角度来看，3D打印技术是第四次工业革命或工业4.0的一个非常重要的概念元素，它带来了许多好处，如数字数据转移、远程访问、最小的人为干预、开发复杂几何体和智能材料的能力、减少废物产生和较低的最终加工要求。

它的所有这些特点都完美地符合工业4.0的目标，除此之外，它们也满足了日益增长的市场需求，这里包括快速变化的客户需求、对以最低生产成本生产高质量产品的需求，特别是在低产量生产情况下，以及为个体实体的需求生产产品。

我们所进行的研究全是在开发一种创新的、非传统的方法，然后将化学物质引入专用于3D打印的材料聚合物基质中，并且这种方法还可以在任何化学实验室中轻松进行，而无需传统的塑料加工设备。

具体来说，就是将化学物质（如染料、溶剂、有机化合物和有机硅化合物）引入聚合物基质的方法主要有传统技术和提出的方法两种，而且传统技术通常在液态聚合物状态下添加添加剂，包括挤出、混合、辊压和在混合器中揉捏等方法。

又或者将改性剂与挥发性溶剂中的聚合物溶液混合后进行去除，然而，我们在本次实验中，研究的方法不需要昂贵和耗能的处理设备，就可以在没有专门设备的实验室中使用，并且提出的方法是通过将丝线浸泡在溶液中来对丝线进行表面改性。

值得注意的是，该丝线经过装有改性剂（液体化学物质或其溶液）的储液器，然后通过干燥或清除多余物质的系统，最后将改性剂涂覆的丝线直接进入3D打印机中进行打印。

我们在本次实验中，将3D打印机作为实验室工具，然后使用各种化学物质（如染料、溶剂、有机化合物和有机硅化合物）引入聚合物基质中，并且大多数关于聚合物改性的研究依赖于传统技术，基本都涉及在液态聚合物状态下添加添加剂的方法。

之后我们将通过改性剂（液体化学物质或其溶液）的储液器通入的丝线，然后通过干燥或清除多余物质的系统，将处理后的丝线被直接供给到3D打印机打印头。

我们还发现，在那里丝线被熔化并通过喷嘴挤出，然后逐层形成一个三维物体，不仅如此，这种方法还可以高效地测试大量物质，并创建之前未知的功能材料，为完全新的应用可能性打开了大门。

目前我们得知，全球发现了数千万种不同的化合物，其中大部分的性质和潜在用途/应用尚未被探索，而且引入的聚合物基质大多数添加剂都具有功能性目的，例如改善产品在不同大气条件下的耐久性，增强抗静电性能，增加强度和可用性，甚至能改变热性能，以及改变颜色等。

正是在这一背景下，我们还发现，涂覆丝线表面的液体改性剂可以在打印过程中或单独在打印过程之外进行，而且L-FDM打印技术还可以使用一个带有液体改性剂的储液器，或者使用多个带有不同化学物质的储液器。

这些化学物质不仅能够溶解在不同溶剂中，还在途中展示了丝线的改性过程，这里也包括通过含有改性剂和干燥系统的储液器中进行丝线通道，但不同的是，在下一个阶段，丝线不直接进入打印头，而是重新缠绕到卷轴上。

这种方法还允许通过将修改后的丝线重新缠绕到卷轴上并再次通过系统或使用多个带有不同改性剂的储液器来多次涂覆丝线表面，或使用多种溶解于不同溶剂中的不同物质，这个特性使得丝线可以在与改性过程本身不同的位置或时间被使用。

还有最重要的一点是，这种技术还使用了EnviSense NR60CP比色计进行了L*a*b*参数（也称为CIELab）的颜色测量，并且得出漏斗帽的直径为4毫米，探测器为硅光电二极管。

之后，我们还在实验中使用了扫描电子显微镜（SEM）观察了制备的复合材料的形态和微观结构，不仅过程采用了三种SE模式进行，而且表面还使用带有能谱仪（EDS）的日立SU70扫描电子显微镜进行化学分析。

具体来说，当我们使用KEYENCE VHX-7000数字显微镜（Keyence International, Mechelen, Belgium, NV/SA）搭配VH-Z100R广角变焦镜头，并且以100倍放大率拍摄了复合材料的表面和断裂的透射光显微镜图像时，图像则采用深度合成技术和内置的3D图像处理软件（System Ver. 1.05）辅助生成。

根据我们的研究发现，L-FDM技术还可以实现颜料和元素的添加，并且通过使用商业上可获得的染料，如罗丹明B、碱性蓝、亚******蓝、******橙、苏丁、荧光素、Moldoo的透明红染料以及Canon的黑色打印墨水，我们在实验中还探讨了在打印过程中染色纤维的可行性。

在实验中，我们先是打印了条状物体，然后进行了色度测量和显微镜分析，并且以评估其特性。对使用L-FDM技术打印的条形物进行了进一步的分析，最后还利用比色计和光学显微镜进行结构分析。

我们为了准确地检测L-FDM复合材料的颜色强度，还打印了圆柱形物体，最后得出，这些物体的设计（形状和结构）能够观察单层中的颜色分布，除此之外，我们还在这个实验中，使用了PLA作为材料，因为它是一种透明的聚合物，还具有良好的加工参数和最小的热收缩性。

正是在这一背景下，我们还对L-FDM改性方法进行了广泛的研究，并对其他常用的纤维进行了测试，不仅选择了比PLA更耐用和柔韧的PET-G进行测试，还对具有较高柔韧性和不透明哑光表面的ABS共聚物进行比较。

最后得出，这两种材料都具有较高的热收缩性，并且都需要在打印过程中需要额外的加热床，而且这些材料的染料添加过程都与基于PLA的复合材料类似。

还有一点值得注意的是，我们使用的L-FDM方法打印出来的样品的颜色变化（∆E），其中使用的是染料溶液作为改性剂，例如碱性蓝、亚******蓝、******橙、苔丝红、荧光酮、Moldoo透明红色染料和佳能黑色打印机墨水。

除了这些之外，我们还在测试的PLA复合材料中，使用了若丝红和荧光酮的甲醇溶液改性的样品显示出最不浓烈的着色，而着色最浓烈且ΔE值最高的样品标记为1.6和1.7的样品，而颜色变化的差异结果则来自于染料与聚合物基体的相容性、还有其在溶剂中的可溶性以及特定染料结构的摩尔吸收系数。

我们还对于圆柱样品，颜色变化进行了分析显示，对于PLA聚合物，我们看出它具有最大变化的是2.2、2.7和2.10，而异丙醇则是以1：1的比例形成的溶液。

根据我们收集到的数据分析表明，材料与染料溶液的饱和度的因素是溶剂，而对于罗丹明B的溶液，根据我们收集的数据显示，样品是2.6（溶剂为水）的ΔE=5.83，以及样品为2.7（H2O:iPr 1:1溶液）的ΔE=63.04，还有样品2.8（H2O:iPr:Gly 1:1:1溶液）的ΔE=24.71。

根据实验结果表明，水：醇溶液能够渗入材料的孔隙，使其更好地渗透并且着色更浓烈，而且甘油的添加增加了溶液的密度和粘度，因此，其渗透复合材料结构的能力减弱，并且与水相比的话，聚合物对水的润湿性还会受到限制。

我们在实验中介绍了一种创新的直接方法，就是在FDM技术中将染料或化合物等化学物质引入打印品中，然后将色度测验（CIELab）和显微镜测试与EDS映射证实了塑料在打印过程中直接被改性。

值得注意的是，这种复杂的方法和昂贵的处理设备的使用，可能成为获取具有特殊应用的材料的工具，我们所描述的研究只是该技术的一小部分技术可能性。

而且我们所提出的技术简化了使用热塑性聚合物制备新材料的过程，还有描述的解决方案也使得能够扩展经典的FDM打印技术的得到广泛的应用，包括在化学、药学、生物技术、工程等领域，都为研究实验室开辟了新的程序和流程。

根据实验结果，我们建议为这种技术使用液态熔融沉积建模（L-FDM）的名称。

【1】《生物启发功能分级甲状腺三明治面板承受冲动负荷》。

【2】《3D打印技术在各种应用中的应用》。

【3】《聚合物中的超高分子量功能硅氧烷添加剂》。

【4】《抗菌3D打印灯丝的制备和纳米颗粒的原位热形成》。

【5】《3d打印酸性单片催化剂的液相催化与增强的传质性能》。