高性能3D列印多了一種新「墨水」

對於3D列印技術的認識和發源，我們要穿梭回19世紀。據文獻記載，快速原型技術（即3D列印技術）的核心理念最早起源於19世紀的照相雕塑技術和地貌成型技術（圖1），而直到20世紀80年代才真正被實現，並起學名為「Rapid Prototyping（快速原型）」。根據其與傳統製造方式的區別，3D列印技術還被叫做Additive Manufacturing（增材製造），其定義為一種基於3D設計模型文件，運用不同的列印製造技術、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來製造物體的技術（見圖2所示）。

圖1 地貌成型原理

圖2 3D逐層堆積列印技術原理

3D列印技術製造的基本過程包括三步：數字化三維建模、對三維模型進行切片處理和逐層製造成型。經過幾十年的發展和技術革新，基於不同的材料和性能需求，3D列印製造技術已經發展出熔融沉積式( Fused deposition modeling，FDM)、選擇性激光熔化成型( Selective laser melting, SLM)、立體平板印刷（Stereolithography，SLA）以及數字光處理( Digital-Light Processing, DLP)等四大主要成型技術，圖3給出了四類成型技術的成型原理示意圖。

圖3 四類主要3D列印成型技術製造原理圖

相對於傳統製造技術，使用3D列印技術製造三維產品具有節省材料，成型精度較高，無需複雜製件、傳統的刀具、夾具、機床或任何模具等優點。此外，3D列印無需集中的、固定的製造車間，具有分散式生產的特點，且能在數小時內成形組裝好產品。因此，3D列印技術已經在工業造型、機械製造、航天航空、軍事、建築、醫學、文化藝術及考古等領域得到了廣泛的應用，圖4展示了目前3D列印技術的應用領域及製件，隨著技術的發展和革新，其應用領域將不斷拓展。

圖4 3D列印技術應用領域及製件

DLP和SLA是3D列印技術發展最早的成型技術，是一種光固化輔助成型技術，具有成型速度快、精度高等優點，主要採用液態光固化樹脂材料。光固化3D列印的核心問題在於光敏樹脂的開發。3D列印用光敏樹脂必須揮發性小、粘度低、穩定性好、固化快、收縮率低，固化後有較好的力學性能及熱穩定性；此外，列印過程及其成型製品應該無毒、無刺激性氣味等。目前用於3D列印的光敏樹脂主要是丙烯酸樹脂、環氧樹脂及聚酯樹脂等系列的光固化樹脂材料，可以成型出航天航空用葉片、齒輪等結構零件，然而該系列材料不具有耐高溫特性，使得此系列樹脂列印成型零件及製品只能作為模具或模型而不能滿足實際需求，從而大大限制了其應用和發展。因此，如何尋找和製備並列印出高溫下使用的航天航空零件的耐高溫墨水迫在眉睫。

幸運的是，作為21世紀最有前途的材料之一——聚醯亞胺，具有優異的機械性能、耐高溫性、抗化學腐蝕及優良介電特性等特點，已被廣泛應用於航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。但受制於難溶解、難熔融等加工問題，國內外在3D列印聚醯亞胺材料研發方面進展緩慢，市場上目前尚無此類產品。科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室表界面研究團隊近日的研發成果填補了此項空白，他們研發了適用於DLP、SLA等光固化3D列印的高性能聚醯亞胺光敏樹脂材料，相關論文 SolventFree and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing 在線發表在 Journalof Materials Chemistry A 雜誌上（DOI: 10.1039/C7TA01952A）。

研究人員從聚醯亞胺分子結構設計出發，採用端基封端和側基修飾等方法既控制了聚醯亞胺分子量賦予了其優異的溶解性能，同時又引入了活性基團使其具有可快速光固化能力，從而發展了適用於SLA、DLP等光固化3D列印技術的聚醯亞胺墨水材料（見圖5所示）。該3D列印聚醯亞胺墨水材料成型精度高、表面質量好，且具有優異的耐熱性能，在300oC烘箱處理或熱油浸泡后不會發生斷裂和彎曲變形，可有效解決現有市售光固化3D列印的樹脂材料機械強度差、耐高溫性差、易吸濕膨脹、耐化學穩定性不佳，以及大多只能在100 oC以下環境中使用等問題，從而突破了採用3D列印技術可直接使用零部件製造的瓶頸問題。

蘭州化物所材料表界面研究團隊持續推出的系列高性能3D列印聚醯亞胺墨水材料為3D列印先進位造技術在相關領域的高精度、高耐熱性、高強度的複雜結構零件和機構的直接快速成型製造提供了新的機遇。在前期表面功能化3D列印以及高性能3D列印材料的基礎上，該研究團隊正與國內著名高校和科研院所合作進行抗輻照機構、慣性儀器儀錶陀螺儀和核武器開關部件微系統傳動機構3D列印快速成型製造研究。

圖 5高性能3D列印聚醯亞胺墨水材料及DLP列印製作的耐高溫零部件

上述研究工作得到了中科院「西部之光」和蘭州化物所「特聘人才計劃」、甘肅省自然科學基金(1606RJZA051)和甘肅普銳特科技有限公司的支持。