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(lái)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(wú)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(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)方面的努力仍然有限。”研究人員解釋說(shuō)。

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(kāi)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)擠壓技術(shù)制成的PLA零件； （b）通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)使用0.5mm的噴嘴，層高為0.35mm的來(lái)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(lái)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(guò)程而增加的可見(jiàn)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(shuō)：“制造方式（傳統(tǒng)與3D打印）對(duì)于與液體接觸的真實(shí)性能至關(guān)重要。”他們解釋說(shuō)，“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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)三種方式提高打印零件對(duì)溶劑的抵抗力。首先，可以通過(guò)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(guò)合理選擇3D打印參數(shù)來(lái)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(guò)調(diào)整零件的幾何形狀來(lái)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。