摘要：系统介绍了适应3D打印制造的聚合物材料，指出3D打印专用聚合物材料既要满足3D打印制造工艺流程，使得制品的性能可以媲美或优于传统方法制造的产品，同时也要符合无毒和环保要求，提出研发生物相容和可降解型树脂是3D打印专用聚合物材料的优先发展方向。

关键词：3D打印；聚合物；降解

中图分类号：TQ050.4+3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2016）01-0036-06

3D打印技术作为新兴的材料加工成型技术，已成为第3次工业革命的重要标志之一[1]。3D打印，也称增材制造（additive manufacturing，AM）或快速成型技术（rapid prototyping，RP），起源于20世纪70年代末至80年代初[2]，其关键的技术优势是采用数字化手段快速制造不同材质的复杂结构制品，可应用于一些高精尖的先进制造领域，工艺过程节能节材[3]。传统的减材制造技术，一般采用切割、磨削、腐蚀和熔融等方法，得到特定形状的制品，再通过拼装、焊接等方法组合成制品[4]，制作周期较长，工序复杂，产品报废率高，成本高。在此背景下，3D打印快速成型技术逐渐发展起来[2]。

从产品生产周期看，3D打印技术联通了产品生命周期前端开发期的“快速成型”（rapid prototyping）和生产期的“快速制造”（rapid manufacturing）相关制备工艺、技术、设备、材料和应用，是多种学科的交叉集成[2]。至今已有多种3D打印技术方式及其相应的设备。应用较多的3D打印技术主要有立体光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、喷墨打印、选择性激光烧结（SLS）和分层实体制造（LOM）等。而关于3D打印专用材料的研究报道极少，相关的专业化公司也不多。本文将重点阐述3D打印专用高分子材料的发展情况。

1 3D打印专用聚合物材料

3D打印用材料，又称3D打印耗材，是3D打印技术发展的重要材料[5～8]。常用的3D打印材料可分为金属、无机非金属和聚合物材料3大类。其中用量最大、应用最广、成型方式最多的材料为聚合物材料。不同于传统成型工艺，3D打印对聚合物材料的性能和适用性提出了更高要求。最基本的要求是3D打印的增材加工模式需要材料具有合适的固-液-固加工窗口，即在加工时具有流动性，成型后又能快速通过凝固、聚合和固化等方式粘接为具有良好的机械强度和设定功能的材料[9]。针对这一基本模式，以下分别综述高分子丝材、光敏树脂、聚合物粉末和高分子凝胶等聚合物材料的性质及其应用。

1.1 高分子丝材

高分子丝材是适用于FDM型3D打印机的主要耗材，应满足高机械强度、低收缩率、适合熔融温度和无毒环保等要求[10]。主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）和聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（PETG）、聚醚醚酮（PEEK）等。

1.1.1 ABS塑料

ABS是丁二烯、丙烯腈和苯乙烯的共聚物，具有强度高、韧性好、耐冲击、易加工等优点，以及良好的电绝缘性能、抗腐蚀性能、耐低温性能和表面着色性能等，在家用电器、汽车工业、玩具工业等领域有广泛应用[11]。ABS因具有良好的热熔性和易挤出性，是最早应用于FDM打印的高分子耗材，具有打印过程稳定、制品强度高和韧性好的优点。但ABS材料遇冷收缩率大，制品易收缩变形，易发生层间剥离及翘曲等，限制了其应用。同时，由于ABS打印温度高达230 ℃以上，既造成材料的部分分解而产生异味，打印过程又耗能。

通过改性ABS可以改善以上不足。如仲伟虹等[12]利用短切玻璃纤维填充ABS，发现加入短切玻纤能提高ABS强度和硬度、显著降低ABS制品的收缩率，但材料韧性有所削弱。通过加入增韧剂和增容剂，可提高复合ABS/短切玻纤丝的韧性，并较好适用于FDM打印工艺。聂富强等[13]公开了一种3D打印专用ABS材料的制备方法：采用连续本体法，将聚丁二烯粉碎后加入单体丙烯腈和苯乙烯的混合树脂中，加入稀释剂后，在特定温度下引发连续本体聚合反应，得到ABS树脂。该方法投资低、操作及后处理简单，所得产品纯净，用其制作的丝材适应230～270 ℃的打印温度，适用于大多数桌面型FDM 3D打印机。

1.1.2 聚乳酸（PLA）

PLA是一种环境友好的可生物降解型塑料，其最终降解产物是二氧化碳和水[14]。因PLA具有优良的力学性能、热塑性、成纤性、透明性、可降解性和生物相容性，而被广泛用作FDM打印耗材，尤其应用于生物材料领域。但其韧性差、制品脆，需要增韧改性才能满足3D打印的各种需求[15～17]。成都新柯力科技有限公司公开了一种3D打印改性PLA材料及其制备方法[18]，该发明主要利用低温粉碎混合反应技术改性PLA，提高了PLA的韧性、抗冲击强度和热变形温度，增韧改性后的PLA材料适合于大多数FDM型3D打印设备，打印温度为200～240 ℃，热台温度为55～80 ℃，打印过程中材料的收缩率小，打印过程流畅、无气味，成型产品尺寸稳定、表面光洁、不翘曲。笔者研发了系列全生物降解的PLA共混物，通过利用PLA段的受限结晶性质，降低了打印温度，所得成品收缩率显著低于纯PLA制品。

1.1.3 聚碳酸酯（PC）

PC几乎具备了工程塑料的全部优良特性，无味、无毒、强度高、抗冲击性能好、收缩率低，具有良好的自阻燃特性和抗污性等[19]。将PC制成3D打印用丝材，其强度比ABS丝材高约60%，适用于打印高强度制品。如德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造[20]。PC的不足在于颜色单一、着色难。另外，通常PC料中残留的双酚A是一种潜在致癌物，因此只能选用食品级PC制作3D打印用丝材。