《Nature Communications: 用于可持续3D打印的可再处理热固性光敏材料》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-05-23
  • 3D打印作为一种功能强大的快速成型技术,具备制备复杂三维几何形状的能力。该技术现已广泛应用于包括组织工程、软体机器人、纳米器件、光学工程、超材料等领域。对比与其他3D打印材料,热固性光敏3D打印材料因其优秀的高温力学稳点性、耐化学性以及与高精度3D打印系统良好的兼容性,几乎占据了3D打印材料市场的半壁江山。然而,因为光聚合反应所形成的共价键网络往往是永久性的,这使得使用现有热固性光敏3D打印材料所打印得到的三维结构不具备再处理,也就是再塑形、再修复和再回收的能力。因此,伴随着全球3D打印材料爆发式的增长,热固性光敏3D打印材料的不可再处理性将导致大量的材料浪费和严重的环境影响。

    成果简介

    为了解决这一挑战,近日,新加坡科技设计大学(Singapore University of Technology and Design, SUTD)数字制造和设计中心(Digital Manufacturing and Design Center, DManD)葛锜助理教授、Martin Dunn教授(共同通讯作者)和张彪博士(第一作者)在Nature Communications上发表了一篇题为“Reprocessable thermosets for sustainable three-dimensional printing”的文章。文章介绍了该科研团队基于两步聚合策略开发的一种可再处理热固性光敏3D打印材料(3D Printing Reprocessable Thermoset-3DPRT)。在制备的3DPRT树脂溶液中,丙烯酸酯官能团的紫外光敏性使其适用于基于紫外光固化的3D打印技术,从而使得3DPRT可用来打印高精度复杂三维结构。而羟基和酯基官能团在高温下发生的酯交换反应赋予了打印结构可再处理性。利用这种可再处理热固性光敏树脂打印出的结构具备再塑形,再修复和再回收的能力。

    这种通过两步聚合策略开发的可再处理热固性光敏3D打印材料不仅允许用户对3D打印结构进行再塑形,还可以通过在损坏界面上直接3D打印来修复破坏的零件。此外,废弃的零件可以通过酯交换反应再回收并用于其他应用。总之,这种可再处理热固性材料赋予3D打印结构再塑形性,再修复性和再回收性,有助于缓解由于3D打印材料消耗量持续增加而带来的环境挑战。

    文献链接:Reprocessable thermosets for sustainable three-dimensional printing (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04292-8)。

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  • 《盘点 | 2017年10大3D打印新材料》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2017-12-28
    • 3D打印技术作为一种新兴智能制造技术,被视为推动新一轮工业革命的原动力。随着材料和技术的不断进步,市场认可度正在提升,行业前景日益明朗。 据ARK预计,到2020年3D打印市场规模或将达到410亿美元。 3D打印材料作为3D打印技术发展的重要物质基础和落地的关键所在,对3D打印技术的普及起到决定性作用。目前3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等种类,形态通常有粉末状、丝状、层片状、液体状。 3D打印技术在航天航空、汽车、建筑、医疗等专业领域的应用越来越深入,对材料的要求也随之升级,因此企业和高校都在持续进行新型3D打印材料的开发,新材料在线®特别整理出以下10款今年宣布的3D打印新材料,以便大家了解当前研究进度。 以下排名以材料发布信息时间为倒序,不分先后。 1. Carbon推出SIL 30:一种具有生物相容性的新3D打印材料 图片来源: Carbon公司 11月13日消息,Carbon宣布推出一种名为SIL30的开创性新材料,该材料是一种有机硅聚氨酯材料,具有生物相容性、低硬度和抗撕裂性,可用于3D打印和其他制造工艺。该材料肖氏硬度为35,堪比商业热塑性弹性体,专为舒适的皮肤接触应用而设计,例如耳机,腕带和可穿戴的附件。SIL 30已通过iso10993 - 5和- 10的生物兼容性测试。 2.纳米纤维素3D打印材料可促进伤口愈合 图片来源:3D虎 10月10日消息,芬兰VTT技术研究中心研究人员使用纤维素纳米纤维开发了一种用于伤口护理的3D打印材料,该3D打印伤口护理材料原型包括纳米纤维素和用于测量伤口愈合情况的印刷电子元件。通过纳米纤维素的使用,创建的伤口护理材料液体吸收性能更好,比通常用于伤口护理的藻酸盐纤维敷料的效率高3倍。通过吸收伤口中的水分,该材料可以缩短伤口愈合时间。3D打印伤口护理凝胶在起到促进伤口愈合作用的同时,充当身体和电子部件之间的缓冲液。通过电子元件与计算机连接,该材料还可以实现实时监控并向医护人员发送伤者伤口愈合情况的信息。 此外,该团队正在尝试材料的其他用途,包括用于纺织品、模型、室内装饰元素和治疗应用的生物基打印材料。 3.Stratasys推出两款多材料全彩3D打印机J750用新材料 Agilus 30的打印样件(左)、Digital ABS Plus的打印样件(右),图片来源:南极熊3D打印 9月28日消息,Stratasys公司在TCT展上展示了两款用于其J750型多材料全彩3D打印机的新材料 — Agilus 30和Digital ABS Plus。 其中,Agilus 30 是一种液态光聚合物,邵氏硬度为30A,拉伸强度为2.4-3.1兆帕,断裂伸长率220-240%,有黑和透明两种颜色提供。基于该材料打印的物品表面纹理清晰并可弯折,能够广泛用于电子、汽车、医疗等行业。与Digital ABS Plus等材料相结合后,还可用于制造防滑表面和二次注塑模具。 Digital ABS Plus也是一种液态光聚合物,抗冲击强度为90-115焦/米,最小打印层厚为1.2毫米,有绿和象牙白两种颜色提供,与Agilus 30结合适用于制造车辆原型、卡扣、金属插闩及光滑复杂的部件。 4.Torc2公司开发出柔性医用3D打印热塑性复合塑料 图片来源:3D虎 8月31日消息,英国Torc2公司开发出一种耐用的柔性3D打印塑料,该材料是一种热塑性复合材料,在37℃下是固体,在55℃左右时则具有很好的延展性,可以重塑。可以用于制造治疗脑瘫和髋关节发育不良的夹板和支撑物,也适用于为下肢假肢制造可重塑的衬套,有替代熟石膏在医疗领域应用的潜力。 值得一提的是,这种3D打印材料的应用并不局限于脑瘫和髋关节发育不良,许多情况下都需要一整套的支撑物和夹板,其中很多都需要经常调整和改变,而Torc材料改变起来很快、很容易。基于这种材料制成的3D打印医疗设备可以直接在患者身上调整和改变,这可能会改变肢体损伤等病情的治疗方式。 5.3D打印新型感温纤维:加热后可修改成品造型 图片来源:日本尤尼吉可株式会社官网 6月7日消息,尤尼吉可株式会社(UNITIKA)宣布开发出用于3D打印的新型感温材料,素材为特殊的聚酯树脂,直径约为1.75mm,喷嘴温度为190~220℃,热床温度为OFF~45℃。该材料打印出的产品经过加热,可自由地改变形状,即保持在温热状态(如一般洗浴时的温度条件)时可以随心所欲地修改形状,冷却后可定型。经过开水等高温加固后,材料即被硬化,不会再发生热变形。据UNITIKA表示将会在2017年年内上市销售。 6.Advanc3d Materials推出用于SLS的新3D打印PP粉末 图片来源:天工社 6月5日消息,3D打印材料生产商Advanc3d Materials推出了用于激光烧结的聚丙烯(PP)3D打印粉末—AdSint PP flex,该材料具有卓越的可塑性、高伸长率(29%)、低吸湿性和耐用性,与标准的聚丙烯相当,可以很好地替代PA(尼龙),可用于汽车、电气、体育、医疗和矫形等行业。 Advanc3d Materials还给出了选择PP粉末而不是其他SLS粉末的原因:1可以用现有的方法,如热成型或密封,对新型PP粉末进行后处理;2该材料的回收利用率高达80-100%,相比PA更具成本优势。 7. SNDVARY研发出超高流动性3D打印铝合金粉末 图片来源:3D打印在线 5月15日消息,辛德华瑞(SNDVARY)研发出超高流动性的铝合金粉末,可匹配不同的金属自由成型工艺,如送粉工艺的SLM成型,扑粉方式的SLM成型等,且休止角一般都小于20°,拥有良好的流动性能。 SNDVARY公司将此类处理技术申请了一项发明专利,并且参与并编制了一份金属3D打印专用金属粉末的行业技术标准。不同牌号铝合金制备的金属粉末相对比较复杂,铝-硅合金粉末、铝-镁合金粉末、铝-硅-镁合金粉末、铝-硅-铜合金粉末、铝-钛合金粉末等,不同粉末处理方式工艺皆不相同,但是匹配金属3D打印工艺是十分吻合的。 8. 液态玻璃成3D打印材料“新成员” 展现超复杂精密结构 图片来源:公开资料 4月23日消息,德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员巴斯汀·拉普及其同事在标准3D打印机中使用可以自由流动的石英纳米复合材料(被称为“液态玻璃”)制作出复杂的形状,然后经过热加工处理,形成具有较高光学性能的熔融石英玻璃结构。这些结构既光滑又透明,细节特征可以小至几十微米。这意味着,现在利用3D打印技术已可以制作具有较高光学性能的结构,可大量适用于设计复杂的透镜和过滤器。 该技术并不只是提供精美的工艺品,还能制作出透明度和反射率足够高的表面,应用于大量光学设备中。该研究报告已发表于《自然》杂志。 9. i.materialise推出新型金属3D打印材料镀铑黄铜材料 图片来源:3D虎 3月28日消息,i.materialise推出了最新金属3D打印材料——镀铑黄铜,并且其将作为在线服务的3D打印材料提供。镀铑黄铜将增加打印对象的长期耐久性和亮度,另外还具有低过敏性的优点,现在,铑打印的铜制品可以打印到尺寸为88x88x125mm。i .Materialise通过将“极薄”的电镀铑层应用于黄铜印刷,可以有效地利用珍贵金属,使3D打印对象不仅具有昂贵的外观,而且还降低成本。新材料的推出也有望为金属工人敞开大门,并作为更常用的金属如金、银、青铜和黄铜的替代品。 10.杜邦推出三种高性能聚合物3D打印材料 图片来源:南极熊3D打印 3月24日消息,杜邦高性能材料公司推出了一系列基于现有聚合物的新3D打印材料,包括Dupont Hytrel热塑性弹性体、DuPont Zytel尼龙和DuPont Surlyn离聚物等三种新材料。每一款都有自己独特的功能:Hytrel,将橡胶的柔韧性与热塑性塑料的强度和可用性相结合;Zytel具有高耐热、耐化学和耐水解的能力;Surlyn提供了许多功能,包括化学和耐磨性、低温冲击和清晰度。 杜邦将高性能材料应用于3D打印领域,可以让用户享受3D打印技术带来的各种好处,如:更大的产品设计自由度、减重、缩短产品开发周期等,大幅提升样件制作、部件生产和大批量定制的效率。
  • 《3D打印材料国产化势在必行》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-05-07
    • 增材制造(3D打印)的定义 增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,3D打印也常用来表示“增材制造”技术。 增材制造技术的特点 增材制造技术利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。 英国《经济学人》杂志认为增材制造技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,认为该技术改变未来生产与生活模式,实现社会化制造,每个人都可以成为一个工厂,它将改变制造商品的方式,并改变世界的经济格局,进而改变人类的生活方式。 增材制造技术在国内外的发展 经过20多年的发展,美国已经成为增材制造领先的国家,3D打印技术不断融入人们的生活,在食品、服装、家具、医疗、建筑、教育等领域大量应用,催生许多新的产业。增材制造设备已经从制造业设备成为生活中的创造工具。人们可以用3D打印技术自己设计物品,增材制造技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式,欧美等发达国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业,纷纷制定发展战略,投入资金,加大研发力量和推进产业化。 我国自20世纪90年代初,在国家科技部等多部门持续支持下,西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等在典型的成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究。我国研发出了一批增材制造装备,在典型成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展,到2000年初步实现的设备产业化,接近国外产品水平,改变了该类设备早期仰赖进口的局面。 近些年来,增材制造技术在美国取得了快速的发展。主要的引领要素是低成本3D打印设备社会化应用和金属零件直接制造技术在工业界的应用。我国金属零件直接制造技术也有达到国际领先水平的研究与应用,例如北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空制造技术研究所制造出大尺寸金属零件,并应用在新型飞机研制过程中,显著提高了飞机研制速度。 增材制造技术的发展趋势 (1)向日常消费品制造方向发展。三维打印是国外近年来的发展热点。该设备称为三维打印机,将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可以直接将计算机中的三维图形输出为三维的彩色物体。 (2)向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件,制件力学性能可以达到锻件性能指标。 (3)向智能化装备发展。目前增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。 (4)向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控制造。 国内与国外的差距 据粉体网小编的了解,近些年国内增材制造的市场发展不大,主要还在工业领域应用,没有在消费品领域形成快速发展的市场。另一方面,研发方面投入不足,在产业化技术发展和应用方面落后于欧美。 欧美巨头公司垄断逐渐形成大型的增材制造企业,拥有资金及技术优势,在不断收购整合材料类生产厂商后,以设备生产和材料供应的综合形式存在。企业对原材料和设备实行捆绑销售的商业模式,对打印材料进行垄断,抬高了材料价格。 例如美国的3D Systems和Stratasys是典型的以材料供应和设备制造的综合形式存在的2家公司,3D打印产品占据了绝大多数的市场份额,以2016年为例,Stratasys和3DSystems分别实现营业收入7.4亿美元和6.9亿美元,占全球排名前10家3D打印厂商营业总收入的29.62%和27.88%,在销售3D打印机的同时与其工程塑料及光敏树脂材料进行绑定销售。 德国主要是围绕工业生产的需求发展增材制造技术,在金属打印领域具有明显的优势,其中EOS公司是全世界销售激光选区熔化3D打印(SLM)设备最多的厂商,对SLM设备的生产销售近乎达到垄断地位,向各地区销售的600多台设备超过了其他所有厂商销售量的总和。据粉体网小编的了解,EOS公司同样会将其生产的金属粉末与设备捆绑销售,抬高金属材料的价格。未来,这些综合性增材制造厂商的材料销售份额可能进一步增加,对材料市场的垄断愈发显著。 相比之下,国内的增材制造材料产业仍处于产业发展的初始阶段。虽然产业发展潜力巨大,但市场规模仍然较小,在基础理论研究、原材料生产工艺、材料制备装备开发等多方面,都有待进一步探索。据粉体网小编了解,在材料的制备方面,我国能自主生产的性能满足增材制造打印要求的材料非常有限,尤其是金属粉末材料,目前还存在着粉末球形度差、氧含量高、成分均匀性差以及粒径分布广等问题。因此国内用于增材制造的金属粉体材料仍严重依赖于进口,导致生产成本高昂,极大地制约了我国增材制造产业的发展和推广应用。 据粉体网小编了解,我国3D打印用材料很多由快速成型厂家直接提供,尚未实现第三方供应通用材料的模式,导致材料的成本非常高。同时,国内尚无针对专用于3D打印的粉末制备研究,对粒度分布、氧含量要求严格,有些单位采用常规的喷涂粉末替代使用,存在着很多的不适用性。在3D打印快速成型方面,研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题,将更好地推动我国快速成型技术的发展。3D打印材料国产化已势在必行。 总体来看,在技术研发方面,我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当,但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后。我国增材制造技术主要应用于模型制作,在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。 在增材的基础理论与成形微观机理研究方面,我国在一些局部点上开展了相关研究,但国外的研究更基础、系统和深入;在工艺技术研究方面,国外是基于理论基础的工艺控制,而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证,导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平;材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距;部分增材制造工艺装备国内都有研制,但在智能化程度与国外先进水平相比还有差距;我国大部分增材制造装备的核心元器件还主要依靠进口。 结语 增材制造以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。随着材料适用范围增大和制造精度的提高,增材制造技术将给制造技术带来革命性的发展。