“高精尖范畴”的3D打印是这么玩

提起3D打印，好多人必然会认为，这是一个非常新的手艺，然则事实上并不是如许。3D打印手艺的汗青，并不比喷墨打印短几多，它降生于1986年，3D打印的思惟发源于19世纪末美国研究的拍照雕塑和地貌形成手艺。 [好文分享：www.ii77.com]

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将数字化的3D图形转化成为物理实物，这一设法最早是由美国人查尔斯•豪尔申请的专利（Charles W. Hull），其道理为立体光刻造型。

查尔斯•豪尔

需要指出的是，这位豪尔师长，同时也是3DSystems公司的创始人，而且推出了第一款工业化的3D打印设备。此后之后，这位大佬起头发家之路，到今朝，老师长的公司已经是国际3D打印设备和材料的生产巨头企业，挣了多少钱哦。从这里看科学家也是能够发家的哦，哈哈。

之后，3D打印手艺新名称——快速成型手艺被提出，跟着手艺的成长和广为人知就有了3D打印手艺这个新名词，然而学术界也鉴于它的长处起名叫“增材制造”。

到了20世纪80年月，为了知足科研索求和产物设计的需求，在数字掌握手艺提高的鞭策下得以实现，3D打印的先关手艺得以储蓄，而且业内小众群体流传。3D打印走向成熟首要在21世纪，成长起来了各类各样的3D打印手艺，这些手艺首要的成长理念是高精度、材料适配及数字智能化。

“解决问题的妙手”——聚酰亚胺材料

今上帝要给人人科普一下聚酰亚胺材料及它的3D打印制造。聚酰亚胺是综合机能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上 ，历久使用温度局限-200～300℃，部门无显着熔点，高绝缘机能。凭据反复单元的化学构造，聚酰亚胺能够分为脂肪族、半芬芳族和芬芳族聚酰亚胺三种。凭据链间互相感化力，可分为交联型和非交联型。聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环（-CO-N-CO-）的一类聚合物，个中以含有酞酰亚胺构造的聚合物最为主要。

聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已普遍应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、星散膜、激光等范畴。上世纪60年月，列国都在将聚酰亚胺的研究、斥地及行使加入 21世纪最有进展的工程塑料之一。

聚酰亚胺，因其在机能和合成方面的凸起特点，岂论是作为构造材料或是作为功能性材料，其伟大的应用前景已经获得充裕的熟悉，被称为是“解决问题的妙手”（protion solver），并认为“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子手艺”。

图1 聚酰亚胺及其应用

能够显着的看出来，聚酰亚胺材料功能性十足、机能优异。然而，对于聚酰亚胺的应用首要在航天航空、微电子及进步制造等范畴，应用形式为聚酰亚胺薄膜、聚酰亚胺零部件及聚酰亚胺电路板等。

施展它机能壮大之处的典型案例，是它在探月工程中的应用。人人是否有注重到一个小小细节，在极端的月球气温情况中(白日最高温度可达160℃，夜间最低温度低到零下180℃)，“嫦娥四号”着陆器及“玉兔二号”巡视器身上的五星红旗依然色彩艳丽，亮丽的“中国红”在每次传回地球的探月照片中十分吸引眼球。人人知道这两面刺眼鲜红的国旗是什么材料做的吗？谜底就是聚酰亚胺！如今知道聚酰亚胺材料的壮大了吧，能够说PK 90%的聚合物材料，属于佼佼者！

聚酰亚胺难熔融、难加工

说了这么多聚酰亚胺的优势和优点，它本身都感受人生已达到巅峰。那么，它的瑕玷在哪里呢？谜底就是：难熔融、难加工。简洁的说，速溶咖啡水一泡立马成为夹杂液，用水消融聚酰亚胺粉末想都别想，好多聚合物材料成品碰到酸、碱及溶剂等发生必然水平的消融，从而有利于其成型加工。

再者，好多高分子成品，如家用的塑料等碰到100℃高温立马变软而且失去外形和机能，无法使用。但聚酰亚胺300-400℃下都不会有显着的发烧变形，这就是它的长处也是难点。传统3D打印能够经由热压、吹塑及挤出等形式制造各类各样外形的成品。然则对于像聚酰亚胺这种扛死抗屈就的材料来说，就很麻烦了。若何将聚酰亚胺制备成可光固化3D打印材料，真是难上加难，成了难啃的骨头！

可光固化的3D打印聚酰亚胺墨水材料

下面请看中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队是怎么解决这块难啃的骨头的。赐座！赐座！！

图2 DLP光固化3D打印聚酰亚胺墨水

2017年，王晓龙研究员团队就成长了可光固化的3D打印聚酰亚胺墨水材料。具体来说就是，把聚酰亚胺这种材料难熔融特征给干掉，首要经由分子构造设计，制备获得聚酰亚胺低聚物，能够在乙醇、甲醇、丙烯酸单体及另外极性溶剂中具有很好的消融性。

王晓龙研究员说：“聚酰亚胺的成型一向是国表里研究的主要对象，跟着手艺提高的驱动和成长要求，对于要害零部件的设计和制造已经成为要害，我们借助3D打印手艺的制造优势和聚酰亚胺材料机能的优势的完美连系，成长可光固化的3D打印聚酰亚胺墨水材料，将来必将成为趋势”。

用挤牙膏的方式来3D打印

然则！然则！王晓龙研究员团队对于已经成长的光固化聚酰亚胺墨水还不知足，认为其机能各方面照样不是最佳，由此，鉴于可以达到更高的综合机能，就有了这个新的研究功效——直书写3D打印光固化聚酰亚胺墨水！

直书写3D打印光固化聚酰亚胺墨水，就是传统制备聚酰亚胺薄膜方式，经由两步成型固化制备3D打印高机能材料。简洁来说，就是像挤牙膏、或许做冰淇淋的一般，把材料直接挤出来，然后靠粘性成型。

图3 挤牙膏和冰激凌

这个手艺要解决的要害是：若何将挤出的聚酰亚胺浆料成型和固定。该团队经由在分子链上设计可光固化的身分，在材料被挤出的时候受到紫外曝光从而发生凝固，如许也就达到连结外形的能力，之后再进一步热处理，即可获得高机能的聚酰亚胺复杂构造（图4）。

图4 直书写3D打印聚酰亚胺设计理念

这种聚酰亚胺材料的机械机能、耐热性及热机械机能在范畴内首次达到传统PI材料的80%以上，尺寸收缩率仅为6%（同于FDM、SLA等主流3D打印手艺）。研究人员进一步实现了多种可定制的构件制造，如曲面聚酰亚胺成形自由构造（如弹簧、单支悬空件）及耐高温聚酰亚胺导线（图5）。

图5 直书写增材制造聚酰亚胺功能器件及应用

王晓龙研究员说：“该方式策略不光适合本研究系统下的聚酰亚胺前驱体系造，并且同样适合另外聚酰亚胺系统，由此可以实现所有通用聚酰亚胺前驱体的增材制造。今后我们还预备实现以聚酰亚胺材料为主体的3D制造工艺装备立异与一站式财富化应用。”

是以，打印制备的复杂构造机械零部件和模型，有望在微电子、仿生材料、人体医疗、航空航天、汽车制造等范畴获得成长和应用，为3D打印进步制造手艺在高精度、高耐热性、高强度的复杂构造零部件和机构的直接快速成型制造方面供应了新的时机。相信跟着科研人员的持续起劲，聚酰亚胺材料的3D打印和应用在不久的未来走向市场。

起原：中国科学院兰州化学物理研究所

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