蘭州化物所3D打印高性能墨水材料研究獲進展

圖1：DLP 3D打印聚酰亞胺濾油器網(wǎng)塞及300oC/3h高溫烘烤實驗

中國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在3D打印高性能墨水材料方面取得進展。他們發(fā)展了3D打印高性能聚酰亞胺光敏樹脂，其優(yōu)異的綜合性能使高精度、高耐熱性、高強度復雜結(jié)構(gòu)零部件和機構(gòu)的直接3D快速成型制造成為可能。

3D打印技術(shù)（亦稱增材制造），是一種快速制造具有特殊復雜結(jié)構(gòu)的先進成型技術(shù)。其中，光固化3D打�。ㄈ鏢LA、DLP等）因打印精度高、打印物體表面質(zhì)量好，在制造形狀特別復雜（如空心）和特別精細（如工藝品、首飾等）的零部件方面均備受國內(nèi)外3D打印業(yè)關(guān)注。

然而，目前用于光固化3D打印的樹脂材料主要為丙烯酸脂系或環(huán)氧樹脂系等材料，使用該類樹脂材料打印的成型件存在機械強度差、耐高溫性差、易吸濕膨脹及耐化學穩(wěn)定性不佳等缺點，大多只能在100oC以下環(huán)境中使用。因此，其應用主要局限在模型、樣件和設(shè)計驗證及藝術(shù)產(chǎn)品制作，而難以突破零部件直接制造的瓶頸問題。所以發(fā)展高性能3D打印墨水材料，從而滿足在汽車、航空航天、電子等綜合性能要求較高領(lǐng)域進行實際應用，已成為國內(nèi)外3D打印領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)和研究重點之一。

圖2：DLP 3D打印聚酰亞胺耐高溫零部件(軸承、齒輪、變速箱蓋等)/模型及成型件表面形貌

聚酰亞胺作為一種特種工程材料，具有優(yōu)異的機械性能、耐高溫性、抗化學腐蝕及優(yōu)良介電特性等特點，已被廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。毫無疑問，發(fā)展高性能3D打印聚酰亞胺墨水材料將在許多領(lǐng)域具有廣泛的應用潛能。但聚酰亞胺難溶難熔等加工問題一直是制約其應用和發(fā)展的瓶頸。因此，設(shè)計制備具有優(yōu)異溶解性能的可快速光固化聚酰亞胺樹脂是發(fā)展?jié)M足光固化3D打印墨水無溶劑等特殊要求的關(guān)鍵。

研究人員通過聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)展了具有優(yōu)異溶解性能的可快速光固化聚酰亞胺樹脂及具有優(yōu)異耐高溫等綜合性能光固化3D打印聚酰亞胺墨水（Solvent Free and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing, J. Mater. Chem. A DOI: 10.1039/C7TA01952A）。該3D打印聚酰亞胺材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于200oC，在300oC烘箱處理或熱油浸泡后不發(fā)生斷裂和彎曲變形，仍保持較好的機械強度(圖1)，說明其具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能，可在較高溫度下長期使用。利用該樹脂材料打印制備的復雜結(jié)構(gòu)機械零部件和模型(圖2)，有望在航空航天、汽車制造及微電子領(lǐng)域得到發(fā)展和應用，為3D打印先進制造技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的高精度、高耐熱性、高強度的復雜結(jié)構(gòu)零件和機構(gòu)的直接快速成型制造提供了新的機遇。

該工作得到了中科院“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。

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來源：中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室