俄羅斯科學(xué)院有機(jī)化學(xué)研究所建立3D打印應(yīng)用的溶劑相容性圖表

來源：廣西增材制造協(xié)會(huì)

俄羅斯科學(xué)院有機(jī)化學(xué)研究所的研究人員Kirill S.Erokhin，Evgeniy G.Gordeev和Valentine P.Ananikov深入研究了3D打印科學(xué)的新水平，在最近發(fā)表的《揭示層狀相互作用》中概述固液界面上的聚合物材料,，用于建立3D打印應(yīng)用的溶劑相容性圖表�,！�

3D打印零件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是當(dāng)今用戶不斷完善的領(lǐng)域，研究人員已對(duì)材料進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),，以弄清楚如何獲得更好的結(jié)果,，創(chuàng)建新算法，研究孔隙率的成因和影響以及解決方法,。消除結(jié)構(gòu)缺陷,。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是化學(xué)物質(zhì)的作用,，但是作者評(píng)估了熱塑性塑料對(duì)各種溶劑的反應(yīng),。

盡管制造幾乎任何種類的零件或原型都存在明顯的挑戰(zhàn)，但在許多應(yīng)用（例如醫(yī)學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域,，例如組織工程,、航空航天、汽車,、農(nóng)業(yè)等）中,，好處可能是巨大的，并且具有巨大的潛力,。無限創(chuàng)新但是,，對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用中使用的功能部件，必須確保其穩(wěn)定性,。在打印過程中,，微結(jié)構(gòu)可能會(huì)改變，孔隙率可能會(huì)影響質(zhì)量,，暴露于有機(jī)溶劑中可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)分解,。

諸如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯砜（PPSU）和聚醚酰亞胺（Ultem）之類的材料可能顯示出耐化學(xué)性并顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能,，但是對(duì)于大多數(shù)“超級(jí)建筑材料”,，需要定制的昂貴3D打印機(jī)來維持高溫（成功制造所需的溫度為350-400攝氏度）。

“此外,，這種材料本身很昂貴（與傳統(tǒng)的生產(chǎn)級(jí)熱塑性塑料相比）,，這使得它們的日常使用不是很普遍。盡管對(duì)低收縮的高強(qiáng)度，耐化學(xué)腐蝕的FDM材料有很高的要求,，但在其開發(fā)方面的努力仍然有限,。”研究人員解釋說,。

作為一個(gè)重要的限制,，3D打印非常不適合生產(chǎn)要暴露于液體介質(zhì)的塑料物體。限制是由于塑料對(duì)液體化學(xué)物質(zhì)的敏感性,�,！�

簡(jiǎn)單調(diào)整打印參數(shù)可以提供解決方案，即使在大量暴露于溶劑的情況下,，也可以使結(jié)構(gòu)更合理,。作者使用圓柱部分和相同的3D打印副本進(jìn)行了比較模型實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)他們將零件浸入DCM中時(shí),，3D打印的零件開始迅速失去其完整性,。

FDM零件在液體介質(zhì)中的穩(wěn)定性測(cè)試表示。（a）通過標(biāo)準(zhǔn)擠壓技術(shù)制成的PLA零件,； （b）通過FDM 3D打印在本作品中制成的PLA零件,； （c）直徑為2.85mm的擠壓件（左）和FDM打印件（右）的宏觀照片；（d,，e）分別使用3D打印部件（擠壓系數(shù)k = 0.9）和使用黃銅圓柱體作為完整性指標(biāo)的擠壓部件在DCM中的耐化學(xué)性測(cè)試的快照（補(bǔ)充影片S1,，S2） ; （f）基于FDM的增材制造的原理；（g）通過FDM生產(chǎn)的分層結(jié)構(gòu),，（h）由于與溶劑的相互作用而破壞了3D打印的表面,。

使用Picaso 3D Designer Pro 250打印機(jī)創(chuàng)建了樣本，并提供了有關(guān)材料的以下信息：

使用ABS,，SBS,，PLA，尼龍,，PP,，PE，PETG,，HIPS,，POM和Primalloy進(jìn)行的打印是通過使用0.3mm的噴嘴在0.2mm的層高度完成的。使用填充的塑料PLA-Cu,，尼龍-C和Ceramo進(jìn)行的打印是通過使用0.5mm的噴嘴,，層高為0.35mm的來完成的�,！�

最終,，使用了12種不同的溶劑：

• 二氯甲烷（DCM）
• 四氫呋喃（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
• 氫氧化鈉
• 水
  

以金屬珠作為完整性指標(biāo)來破壞DCM中的ABS零件的示例,。 （a）一系列快照；（b）相應(yīng)的曲線反映了3D打印的藍(lán)色圓柱體由于破壞過程而增加的可見面積（橫軸表示實(shí)驗(yàn)時(shí)間,，縱軸表示實(shí)際與初始面積之比）,；（c）圓形圖的示例：ABS作為一種不穩(wěn)定的材料（紅色），以及更穩(wěn)定的材料的一般符號(hào)（藍(lán)色和綠色）,。

這組作者解釋說：“制造方式（傳統(tǒng)與3D打�,。���(duì)于與液體接觸的真實(shí)性能至關(guān)重要�,！彼麄兘忉屨f,，“簡(jiǎn)單的溶劑相容性表”是不夠的。

其他聚合物材料也進(jìn)行了測(cè)試,，具有最高的耐化學(xué)性包括：PP,，PE，POM,，尼龍和尼龍C,。或者,，F(xiàn)DM材料（例如PLA,，ABS，SBS和HIPS）顯示出較小的耐溶劑性,。

暴露在有機(jī)和無機(jī)溶劑中1μh時(shí)FDM零件區(qū)域變化的圓圖,。1.材料在實(shí)驗(yàn)過程中坍塌（ΔS> 20％）：物體因溶解，崩解和/或分層而變形,。 2.該材料在實(shí)驗(yàn)過程中顯示出中等穩(wěn)定性（ΔS= 2–20％），外層溶脹或溶解程度較小,，但形狀保持令人滿意,；3.材料在實(shí)驗(yàn)過程中是穩(wěn)定的（ΔS<％2％）：物體保持其形狀，并且未觀察到外層的溶解（請(qǐng)參閱補(bǔ)充影片S3）,。

Primalloy（一種彈性體）表現(xiàn)出“中等強(qiáng)度”,，而PETG則對(duì)丙酮和甲苯以及乙酸乙酯和DCM具有抵抗力。

所指出的破壞的主要類型是崩解,、分層,、分子溶解和溶脹，其中“破壞情景”被記錄為熱塑性塑料和溶劑之間的關(guān)系,，以及諸如PLA在DCM中溶解但在丙酮中分層的方式之類的差異,。

“所有經(jīng)過測(cè)試的材料都對(duì)水、酸性和堿性水溶液以及乙醇具有抵抗力,，這使其可以暴露于水性反應(yīng)介質(zhì)中,。同時(shí),，PLA，PLA-Cu,，ABS,，SBS，Ceramo,，HIPS和Primalloy零件與丙酮,，乙酸乙酯，甲苯,，DMF,，THF和DCM不相容。

可以通過三種方式提高打印零件對(duì)溶劑的抵抗力,。首先,，可以通過添加劑對(duì)聚合物進(jìn)行改性，以保護(hù)其免受溶劑作用,。其次,，可以通過合理選擇3D打印參數(shù)來防止溶劑的影響，因?yàn)榻档偷目紫堵蕰?huì)阻止溶劑的滲透,。另外,，可以通過調(diào)整零件的幾何形狀來減輕溶劑的影響�,！�

擠壓系數(shù)k對(duì)FDM零件的結(jié)構(gòu)完整性的影響,。（a）由PLA制成的圓筒形零件的壁厚取決于擠壓倍數(shù)的變化；（b）由PLA制成的圓柱形零件的壁結(jié)構(gòu)完整性變化,；（c）由ABS制成的圓柱形試管壁厚的變化,；（d）改變由ABS制成的圓柱形試管的壁結(jié)構(gòu)完整性；（e）FDM試管的完整G代碼的圖形表示,；（f）F代碼試管壁上接縫點(diǎn)的G代碼定義分布,； （g）FDM試管的單層結(jié)構(gòu)，接縫位置用紅色箭頭表示,。