耐高温高强度工程塑料3D打印
The high temperature and strength engineering plastic used in 3D printing
李志祥 刘丰华Ⅰ增材制造材料技术团队
3D打印作为一项前瞻性、战略性技术，世界各国正在不断加强 3D打印技术的研发及应用。目前，主要的3D打印技术有立体光刻SLA、选择性激光烧结SLS、选择性激光熔覆SLM、分层实体制造LOM和熔融沉积造型FDM。其中FDM由于不需要激光等昂贵的硬件设备，零配件价格低廉；采用开源软件，利于众创和降低成本；理论上所有热塑性材料都能做成FDM的耗材，材料来源广泛；丝材相对粉末更加安全和环保，美国航天局和我国航天部门都采采用FDM 3D打印机作为太空实验研究的首选；操作简便，经过简单培训就能操作使用FDM，利于推广与应用。相比其它3D打印技术，FDM技术发展更为迅速，各种FDM打印机和耗材如雨后春笋般涌现，市场规模每年都以20%以上的速度在增长。
随着我国在高档数控机床和电子信息产品等领域取得长足进步，加之FDM设备软件开源的特性，我国迅速成为FDM 3D打印机的主要供货商之一。国内如浙江闪铸科技、深圳优锐科技、激光尔沃科技等公司都有不错的销售业绩。但我国FDM打印机厂商同质化竞争比较严重，在全彩色打印机以及打印材料种类上与国外知名厂商Shapeways、Stratasys等相比还有不小的差距。国外已经相继开发出了PLA、PETG、PCL、ABS、PA、PC、POM、PPSM、PEEK、PEKK等FDM 3D打印机使用的耗材，其中PEKK（聚醚酮酮）具有卓越的强度、耐化学腐蚀、耐高低温、耐辐射性及优异的耐磨损性能，比强度优于铸造铝、 镁和尼龙，有望应用于航空航天领域。
由于受到耗材制造设备和3D打印机耐温的限制，国内FDM 3D打印机和耗材挤出机的耐温一般都在300℃以下，很难满足高温、高强度3D打印耗材的研制需求。而且，耐高温、高强度耗材的研制难度大、研制成本高、研发周期长，进一步限制了我国相关企业在高温、高强度FDM耗材的研发能力，造成我国与国外在耗材齐全性方面的差距越来越大。
中科院宁波材料所紧密结合国家中长期科技发展战略和需求，瞄准国内外增材制造专用高性能材料的前沿课题，充分发挥浙江省在制造业方面的产业集群优势，解决我国主要增材制造专用材料的关键问题，申请成立了浙江省3D打印材料技术重点实验室。实验室以依托单位内外不同材料技术领域协同创新为基础，充分进行资源整合，学科融合、渗透和交叉，并着力于体制创新，从而实现优势互补，汇聚人才，将实验室建成国内外知名、具有原始创新能力的增材制造材料研究基地，产学研一体化的高层次、专业型人才培养基地。针对FDM 3D打印耗材的研发，实验室专门布局了高温FDM研制、耐高温高性能低成本塑料原料研发、FDM耗材研制、3D打印耗材/打印工艺及打印件结构和性能关联性研究、3D打印件性能检测与通用标准研究等方向，取得了一系列研究成果，如已经成功开发出耐高温、高强度低成本聚酰亚胺（PI）原料以及3D打印用PA6、PA12、PI和石墨烯/PA复合耗材，研制了最高打印温度达到450℃、具有成型室控温功能的FDM打印机，通过优化打印工艺如基板材料、打印温度、热床温度、打印速度、环境温度和基材选择等，有效解决了ABS和PA材料打印过程中的容易翘曲变形、层间结合力差、成型件韧性差的问题，成功打印了PI异型件。
