高分子材料加工成型技术及其应用.pdf

Model-总第2 11期2023年第8 期行业纵横摘要：通过对相关文献进行查阅，以高分子材料技术领域的FDM加工成型技术为研究对象，对其技术原理、优势、对高分子材料的要求进行了简要阐述，并对其在不同领域中的应用进行了深入分析，以期能够为FDM加工成型技术在实际工作中的应用提供一定理论支持。关键词：高分子材料；FDM加工成型技术；导热领域；电学领域；生物医学中图分类号：TQ3160引言高分子材料主要指的是橡胶、塑料、纤维以及三者的衍生材料等,此类材料在现代工业生产中具有十分重要的价值与作用，在建筑、交通、航空、医疗等领域发挥着愈发重要的作用，并逐渐向着智能化、精细化的方向发展。高分子材料本身的性能以及价值与其加工成型技术存在十分密切的关联关系。在当前的技术背景下，比较常见的高分子材料加工成型技术主要包括挤出成型技术、注塑成型技术、压延成型技术、发泡成型技术、3 D打印技术等，每种加工技术均存在独特的技术优势与缺陷。其中，在3 D打印技术领域，FDM加工成型技术是其关键技术类型之一，在实际工作情境中，,由于FDM加工成型技术具有成本较低、性能良好等优势，逐渐成为了最受工业生产领域欢迎的高分子材料加工成型技术。1FDM加工成型技术1.1FDM 技术原理FDM加工成型技术属于当前最为流行的3 D打印技术之一，又被称为熔融沉积制造技术,其技术原理为：将丝状的成型材料在特定温度背景下进行熔融处理，使其呈现半液体状态，并通过挤出头将熔融丝状材料挤出，挤出过程由计算机控制，有选择地沉积在成型平台上,并迅速冷却固化；在一层截面沉积完成后，成型平台会在代码的驱使下，自动下降预定高度，按照上述流程，进行下一层的沉积作业，直到完成整体工作任务位置。熔融沉积制造的工艺流程主要包括前处理、成型、后处理三个阶段 1。图1为典型的FDM加工成型技术原理图。1.2FDM技术优势与其他3 D打印技术相比,FDM加工成型技术主要存在以下几种技术优势：1)成本相对较低。FDM加工成型技术只需要引进液化器设备、运动机构就能够实现预期功能，而其收稿日期：2 0 2 3-0 3-17作者简介：王宇(19 8 3 一),男，山东日照人,本科,毕业于内蒙古科技大学材料与治金学院，助理工程师,研究方向为材料成型及控制工程。山西冶金ShanxiMetallurgy高分子材料加工成型技术及其应用王宇（安阳钢铁集团有限责任公司，河南安阳4550 0 4）文献标识码：AFDM-HeadSupport-MaterialBuild Stage图1典型的FDM加工成型技术原理图他大多数技术类型普遍需要引进较为复杂的技术设备，如激光烧结、电子书熔覆等，这些设备的价格比较昂贵,因此，FDM加工成型技术在成本方面具有相当强的优势，这是其受到众多企业青睐的根本原因。2)环保性强。FDM加工成型技术采用的是热塑性高分子丝状材料，整个打印过程清洁无污染，同时不会产生粉尘排放现象，适合居家办公使用。3)应用范围广泛。FDM加工成型技术能够应用于很多技术场景，如导热领域、电学领域、模型制造领域、航空航天领域、生物医学领域等,且能够发挥比较出色的作用 。1.3FDM技术对高分子材料的要求在材料学领域，材料本身的质量是决定其加工成型效果的重要关键,因此,许多技术对于高分子材料本身的性能特点均存在不同的技术要求。FDM加工成型技术对高分子材料本身的质量也存在一定的要求，具体内容如下：1)热塑加工性能要求。FDM加工成型技术的原理就是通过热塑性丝状材料的叠加实现材料成型的，因此，材料本身必须具备较为有利的热塑加工性能，能够满足挤出成型操作的基本需求。2)模量、黏度能够符合要求。在FDM加工成型技术应用过程中，热塑丝条能够通过齿轮驱动进人液化器,进而进行熔融与沉积。在整个流程中,材料需要在短时间内经历复杂的“固液固”相性转换，在液体阶段,需要能够从喷嘴中挤出，因此其强度应当降低，Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.032文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 8 3-0 3Material山西冶金84E-mail:第46 卷在到达平台之后，温度降低，材料黏性应当增大，能够在短时间内沉积到打印平台上。另外,该相性转换特征对于材料本身的压缩模量也存在一定要求,如果丝条模量较低，在打印过程中很容易出现屈曲现象，影响FDM正常加工成型。综合来看，如果想要保证FDM加工成型技术顺利实现，对于材料的压缩模量、表观黏度比值均存在一定要求。3)结晶度要求。在FDM加工成型技术应用过程中，丝条需要以层层叠加的方式沉积在打印台上，需要多次进行融化、冷却、结晶，在此过程中,如果材料的结晶能力较强，在成型过程中会导致丝条遇冷结晶、体积收缩,从而影响整体结构强度,因此，在材料选择过程中,最好选择结晶能力较低的高分子材料 。4)热收缩率要求。为了保证打印制件的尺寸与精度，在工作中要求丝条从喷嘴中挤出后的“离模膨胀”程度相对较小,这就要求材料的热收缩率必须相对较低。5)稳定性要求。在整个FDM加工成型技术应用过程中，高分子材料至少需要经历两次熔融挤出，因此，材料必须具有较强的稳定性特征。综合上述材料要求特点，在实践中,适用于FDM加工成型技术的材料种类相对较少，具体包括烯睛一丁二烯苯乙烯共聚物、聚乳酸、尼龙、聚已内酯、聚碳酸酯、聚丙烯、热塑性聚氨酯、聚醚醚酮等。2FDM加工成型技术在不同领域中的应用2.1FDM在导热领域中的应用FDM加工成型技术在导热领域的应用是比较常见的。具体而言，散热片、热界面材料属于现代电子通信行业导热的关键设备，随着时代的发展，电子信息系统技术不断提高,在这一背景下，常规的模塑、热挤压之类的高分子加工成型工艺所制作的材料很难满足相关工作需求。而FDM加工成型技术能够在低成本支出的技术背景下，制作更加复杂的多功能结构，进而满足更加复杂的导热器件制备与应用需求。此外,FDM加工成型技术还能够对导热填料在制件中取向进行调控，强化复合材料的导热性能，进而制备具有可调的分层增强导热复合制件。在实际工作情境中，为了制备导热器材，相关技术人员需要往高分子基体中添加导热填料，其中的典型材料包括石墨烯、碳纳米管、铜等。但是,在FDM加工打印高导热率制件时，导热快的材料存在较高的传热速率，很容易导致制件精度受到严重影响，因此，需要采用复合导热丝条进行加工处理，比较常见的材料包括石墨烯/PLA复合材料等。例如,Jia等人结合FDM加工成型技术，从平面打印、竖直打印两个方向，完成了石墨片高分子打印,并对其导热率进行了综合分析，发现竖直打印的产物具有更加优秀的导热性特征。2.2FDM 在电学领域中的应用FDM加工成型技术在电学领域的应用也是比较常见的，已经有了数十年的发展时间。具体而言，相比于传统导电功能器件制造方法，FDM加工成型技术具有比较明显的技术优势，能够制造出具有一定复杂形状的导电功能器件。例如,Gnanase-karan等人通过挤出加工方法，分别制作了碳纳米管/聚对苯二甲酸丁二醇酯、石墨烯/PBT复合丝条，并对上述成品的导电性、稳定性、可打印性进行了全面分析，最终发现，碳纳米管/聚对苯二甲酸丁二醇酯的导电性、力学性能表现更为优异。Kennedy等人结合FDM加工成型技术,完成了碳纳米管/PVDF有机挥发物传感器的制作工作，与传统技术相比，采取该方法制作的有机挥发物传感器花费的成本更低，同时其性能也相当优异，在后续试验中,对乙醇、苯等有机溶剂反应较为灵敏,能够很好地满足相关工作需求。Kim等人结合FDM加工成型技术,采用碳纳米管/TPU复合丝条，完成了3 D多轴力传感器的打印工作，并对该3 D多轴力传感器的性能进行了综合测试,最终发现,采取FDM加工成型技术制作的该设备具有较为优秀的性能表现，能够测量来自三个方向的亚毫米级别的力变化。2.3FDM在生物医学领域中的应用FDM在现代生物医学领域中的应用是当前研究的热门方向之一，相当多的学者已经将FDM加工成型技术与医学领域中的诸多技术类别进行了有机结合，包括但不限于组织器官模型制备、组织工程支架制备等方面。具体而言，在传统的生物医学领域,每一名患者的具体情况基本都是不同的，彼此之间存在比较细微的差别,同时，人体对于医疗设备器材的安全性存在相当高的要求,这些因素综合导致传统技术背景下的医疗设备与器材制作一直都是生物医学领域的重要难点之一。FDM加工成型技术具有绿色无污染、加工过程可重复、能够满足复杂性结构材料设计需求等诸多优势,因此,FDM加工成型技术在现代生物医学领域中能够发挥出相当出色的价值与作用。当前，部分学者结合FDM加工成型技术，制备完成了医用级别的氧化石墨烯/TPU-PLA复合支架等。例如，Yu等人结合FDM加工成型技术,完成了纳米羟基磷灰石/（nHA/PEU）三维多孔复合支架的加工与制备工作,并将其架放在3 7 磷酸缓冲盐溶液中，进行了浸泡实验，最终发现，在这一仿人体环境中浸泡一周时间之后，该复合支架的压缩模量仍旧能够达到50 MPa的水平，能够为外科医学中诸多项目提供2023年第8 期王宇：高分子材料加工成型技术及其应用.85必要的材料技术支持。Song等人结合FDM加工成型技术，同时结合超临界二氧化碳发泡技术，制备了具有可控宏微观孔梯度结构的生物支架,其大小孔的孔洞直径均能够满足基本工作需要。Wu等人制造出了能够达到医用标准的HA/PVA-PLA复合丝条，结合FDM加工成型技术，制作完成了可控性强、具有全贯穿性质的生物支架,能够满足外科手术工作技术需求,其成本在原来技术的基础上得到了大幅降低。3结论当前我国的高分子材料加工技术已经达到了国际先进水平,在诸多领域的应用都相当广泛,其中,3 D打印技术中的FDM加工成型技术表现尤为出色，本文以其为主要研究对象，发现该技术主要具有成本低、环保性强、应用范围广泛等重要优势。同时,FDM加工成型技术对于材料本身也存在一定要求，主要包括热塑加工性能要求、模量与黏度性能要求、结晶度要求、热收缩率要求、稳定性要求五个方面。此外，在本文中对FDM加工成型技术在导热领域、电学领域、生物医学领域三个主要应用方面的应用策略进行了综合分析，相关单位在进行有关研究时，可以充分结合本文的研究内容以及自身实际情况，对FDM加工成型技术在实践中的应用进行深人研究。Polymer Material Processing and Forming Technology and its Application(Anyang Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Anyang Henan 455004,China)Abstract:By reviewing relevant literature and taking FDM processing and forming technology in the field of polymer material technology asthe research object,this paper briefly elaborates on its technical principles,advantages,and requirements for polymer materials,andconducts in-depth analysis of its applications in different fields,in order to provide certain theoretical support for the application of FDMprocessing and forming technology in practical work.Key words:polymer materials;FDM processing and forming technologyi thermal conductivity field;electricity field;biomedicine(上接第 7 2 页）术研究 J.城市建设理论研究（电子版）,2 0 19(2 6)：40.5王洋.固体废物煤研石地基处理施工技术 J.能源与节能,2 0 18Exploration of Environmental Protection Treatment Methods for Underground Coal Gangue(Ventilation Department of Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Electricity Lvliangshan Coal Power Co.,Ltd.,Abstract:In order to explore the environmental protection treatment methods of underground coal gangue,combined with the actualengineering case of the coal washing plant in Lvliangshan Coal Power Company,a simple crushing and mixing experiment method was usedto make filling slurry from underground coal gangue,and the filling slurry was applied to the filling work of the caving area of the miningface.The experimental results indicate that this experiment not only achieved the full utilization of a large amount of coal gangue,but alsoeffectively solved most of the risks and hidden dangers in the caving area of the working face,which has prominent practical significance andprovides a reference for large-scale low-cost treatment of coal gangue in future mining areas.Key words:coal mines;coal gangue;environmental protection treatment虽然当前FDM加工成型技术的发展已经达到了比较先进的水平，但是仍然存在一些技术缺陷需要专家学者对其进行针对性解决。FDM加工成型技术的应用难点主要包括以下几个方面：1)材料要求高。FDM加工成型技术的加工过程对于材料本身的性能要求相对较高，能够实现商业化的材料少之又少，此情况应当通过开发新材料、优化原材料的方式来解决。2)打印效率低。FDM加工成型技术的打印需要进行重复熔融与材料叠加，成型效率相对较低,针对此情况，可以考虑采取技术融合方式解决这一缺陷。3)内部孔隙明显问题。FDM加工成型技术在应用过程中，材料内部几乎不可避免地会产生孔隙，进而对制件质量产生影响，这也是需要相关技术人员着重解决的内容。参考文献1阳志荣,郑超,唐舫成，等.基于新型高分子材料的加工成型技术应用 J.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 2，42（12)：150-152.2张墨，李嘉宁.激光精密加工成型技术及产业化应用 J.中国铸造装备与技术,2 0 2 2,57（3）：16-2 2.3高志华，张玉华，潘春生.大型舰船型材的测量和冷弯加工成型技术 J.舰船科学技术,2 0 2 1,43(2 0)：2 0 8-2 10.(编辑：杨光辉）Wang Yu(5):83-84.Qi JieLvliang Shanxi 033000,China)（编辑：武倩倩）