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生物材料正火热地应用于3D打印,而且不同的3D打印工艺,对生物材料的选择也有所不同。本文分析了如何为熔融沉积成型(FDM)、光固化立体成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)以及层片叠加成型(LOM)等3D打印加工工艺选择适宜的生物材料。

Bioplastics are increasingly used in 3Dprinting. However, different kinds of 3D printing technologies place specificrequirements on the types of materials. This article suggests some options forfused deposition modeling (FDM), stereolithography (SLA), selective lasersintering (SLS) and laminated object manufacturing (LOM).


FDM打印示意图。
FDM打印示意图。
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在追求个性化、定制化的年代,3D打印无处不在。只要有一台3D打印机,就可将塑料、金属、陶瓷、沙土甚至巧克力等各种材料打印成自己想要的物品,比如模具、鞋子,甚至是飞机零部件或人体器官等。

3D打印正由工业化用途越来越趋向于民用化用途。对于耗材,人们要求它更环保,更健康,而生物材料恰恰可以满足这种需要。

生物材料品种很多,其分类方法也很多。生物材料包括金属材料(如碱金属及其合金等)、无机材料(生物活性陶瓷,羟基磷灰石等)和有机材料三大类。有机材料中主要是高分子集合物材料,高分子材料通常按材料属性分为合成高分子材料(聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等)、天然高分子材料(如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等)。

那么常见的3D打印有哪些工艺技术?我们又该如何根据不同的3D打印打印工艺,选择合适的生物材料?

3D打印工艺分析

3D打印的主要工艺技术分为以下四种:熔融沉积成型(FDM)、光固化立体成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)以及层片叠加成型(LOM)。

熔融沉积成型(FDM)的原理如下:加热喷头在电脑的控制下,根据产品零件的截面轮廓信息,作X-Y平面运动,热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,然后被挤压出来,有选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层“画出”截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品零件。

FDM的优点是成型精度高、打印模型硬度好、多种颜色。缺点则是成型物体表面粗糙。

光固化立体成型(SLA)是利用特定强度的激光聚焦照射在光固化材料的表面,固化此处树脂,然后使之点到线、线到面的完成一个层上的打印工作,分层进行固化,直至最终成品的完成。

SLA优点具有微米级的超高精度、加工速度快、生产周期短等优点。然而其缺点则是造价高、打印成本贵、操作相对复杂且打印树脂有低毒性。

选择性激光烧结(SLS)由美国德克萨斯大学奥斯丁分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形。

该工艺将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛,如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结物件。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构,因而无需考虑支撑系统(硬件和软件)。

SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切,如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯,蜡型可做蜡模,热塑性材料烧结的模型可做消失模。

层片叠加成型(LOM)由美国Helisya公司于1986年研制成功。LOM采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等作为成型材料,片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时用CO2激光器在电脑控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材,然后通过热压辊热压,使当前层与下面已经形成的工件层粘结,从而堆积成型。

LOM其特点在于,打印只需要在片材上切割出零件的截面的轮廓,而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。零件的精度高(≤0.15mm)工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用,所以打印无需加支撑。

不同生物材料各有千秋 

聚乳酸(PLA)是FDM使用最常规并且用量最大的耗材,具有优良的力学性能、加工成型性、透明性、尺寸稳定性、可降解性和生物相容性。但是纯PLA韧性较差、脆性高,成型制品易碎裂,不耐热。目前有大量的研究人员在进行PLA改性的研究,PLA基材的3D打印耗材历久弥新。

聚乙烯醇(PVA)是一种生物降解的合成聚合物,其最大的特点就是它的水溶性。它通常在3D打印过程中作为支撑材料使用,在打印过程结束后,支撑部分能在水中完全溶解。有效解决了打印悬空问题,同时又避免了后处理的麻烦,与PLA耗材堪称完美配合。

易生研发人员通过以低聚物乳酸多元醇、异氰酸酯等为主要原料,经平行双螺杆挤出机合成不同硬段含量不同分子量的生物可降解TPU,也成为近年来热门的3D打印耗材。

该生物可降解TPU具有高伸长、高强度、低回弹、透明度高、生物降解性好等特点,并且生物基聚乳酸多元醇的含量越高,其降解速率越快;生物基聚乳酸多元醇分子量(1000-4000)越大,其降解速率越快。此产品用来做PLA的增韧剂具有优异的增韧效果。同时,也可单独制作成3D打印耗材。

金属材料及无机材料则一般用于SLS中,利用粉末状材料在激光照射下烧结,在电脑控制下按照介面轮廓信息进行有选择的烧结,层层堆积。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。 

聚己内酯(PCL)具有超低的玻璃化温度Tg(约-60℃),因此在室温下呈橡胶态。熔点59-64℃,具有低温热塑性。在3D打印中,由于它熔点低,所以并不需要很高的打印温度,从而达到节能的目的。

同时,由于聚己内酯的熔点低,它可以有效让人员在操作时避免烫伤,并越来越多地应用于3D打印笔。另外,因为其具有形状记忆的特性,它使得打印出来的东西具有“记忆”,在特定条件下可以使其恢复到原先设定的形状。在医学领域,可用来打印心脏支架等。

此外,生物基光敏树脂也常应用于光固化快速成型中。它主要是一类由低聚物、单体、光引发剂、助剂混配制成的树脂。它能在较短时间内迅速发生物理和化学变化,进而实现交联固化。其优点在于成型精度极高、品质好;成型物体表面光滑且成型速度快。

3D打印与传统工艺互补

在传统制造业领域,工艺已经发展成熟,新时代的个性定制的需求也越来越明确,传统工艺已经非常难以满足新时代发展的需要,3D打印作为新的制造成型理念,同传统行业形成了很好的互补,在有些特殊领域,如医学领域,3D打印更能发挥它的定制优势。对于开发者来说,3D打印可以让其头脑中天马行空的想法成为现实。

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