對(duì)于3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)和發(fā)源，我們要穿梭回19世紀(jì)。據(jù)文獻(xiàn)記載，快速原型技術(shù)（即3D打印技術(shù)）的核心理念最早起源于19世紀(jì)的照相雕塑技術(shù)和地貌成型技術(shù)（圖1），而直到20世紀(jì)80年代才真正被實(shí)現(xiàn)，并起學(xué)名為“Rapid Prototyping（快速原型）”。根據(jù)其與傳統(tǒng)制造方式的區(qū)別，3D打印技術(shù)還被叫做Additive Manufacturing（增材制造），其定義為一種基于3D設(shè)計(jì)模型文件，運(yùn)用不同的打印制造技術(shù)、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來制造物體的技術(shù)（見圖2所示）。
圖1 地貌成型原理
圖2 3D逐層堆積打印技術(shù)原理
3D打印技術(shù)制造的基本過程包括三步：數(shù)字化三維建模、對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理和逐層制造成型。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和技術(shù)革新，基于不同的材料和性能需求，3D打印制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出熔融沉積式( Fused deposition modeling，FDM)、選擇性激光熔化成型( Selective laser melting, SLM)、立體平板印刷（Stereolithography，SLA）以及數(shù)字光處理( Digital-Light Processing, DLP)等四大主要成型技術(shù)，圖3給出了四類成型技術(shù)的成型原理示意圖。
圖3 四類主要3D打印成型技術(shù)制造原理圖
相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)，使用3D打印技術(shù)制造三維產(chǎn)品具有節(jié)省材料，成型精度較高，無需復(fù)雜制件、傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具等優(yōu)點(diǎn)。此外，3D打印無需集中的、固定的制造車間，具有分布式生產(chǎn)的特點(diǎn)，且能在數(shù)小時(shí)內(nèi)成形組裝好產(chǎn)品。因此，3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航天航空、軍事、建筑、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)及考古等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，圖4展示了目前3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及制件，隨著技術(shù)的發(fā)展和革新，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>
圖4 3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及制件
DLP和SLA是3D打印技術(shù)發(fā)展最早的成型技術(shù)，是一種光固化輔助成型技術(shù)，具有成型速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，主要采用液態(tài)光固化樹脂材料。光固化3D打印的核心問題在于光敏樹脂的開發(fā)。3D打印用光敏樹脂必須揮發(fā)性小、粘度低、穩(wěn)定性好、固化快、收縮率低，固化后有較好的力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性；此外，打印過程及其成型制品應(yīng)該無毒、無刺激性氣味等。目前用于3D打印的光敏樹脂主要是丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂及聚酯樹脂等系列的光固化樹脂材料，可以成型出航天航空用葉片、齒輪等結(jié)構(gòu)零件，然而該系列材料不具有耐高溫特性，使得此系列樹脂打印成型零件及制品只能作為模具或模型而不能滿足實(shí)際需求，從而大大限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，如何尋找和制備并打印出高溫下使用的航天航空零件的耐高溫墨水迫在眉睫。
幸運(yùn)的是，作為21世紀(jì)最有前途的材料之一——聚酰亞胺，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐高溫性、抗化學(xué)腐蝕及優(yōu)良介電特性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。但受制于難溶解、難熔融等加工問題，國(guó)內(nèi)外在3D打印聚酰亞胺材料研發(fā)方面進(jìn)展緩慢，市場(chǎng)上目前尚無此類產(chǎn)品。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室表界面研究團(tuán)隊(duì)近日的研發(fā)成果填補(bǔ)了此項(xiàng)空白，他們研發(fā)了適用于DLP、SLA等光固化3D打印的高性能聚酰亞胺光敏樹脂材料，相關(guān)論文 SolventFree and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing 在線發(fā)表在Journalof Materials Chemistry A 雜志上（DOI: 10.1039/C7TA01952A）。
研究人員從聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，采用端基封端和側(cè)基修飾等方法既控制了聚酰亞胺分子量賦予了其優(yōu)異的溶解性能，同時(shí)又引入了活性基團(tuán)使其具有可快速光固化能力，從而發(fā)展了適用于SLA、DLP等光固化3D打印技術(shù)的聚酰亞胺墨水材料（見圖5所示）。該3D打印聚酰亞胺墨水材料成型精度高、表面質(zhì)量好，且具有優(yōu)異的耐熱性能，在300oC烘箱處理或熱油浸泡后不會(huì)發(fā)生斷裂和彎曲變形，可有效解決現(xiàn)有市售光固化3D打印的樹脂材料機(jī)械強(qiáng)度差、耐高溫性差、易吸濕膨脹、耐化學(xué)穩(wěn)定性不佳，以及大多只能在100oC以下環(huán)境中使用等問題，從而突破了采用3D打印技術(shù)可直接使用零部件制造的瓶頸問題。
蘭州化物所材料表界面研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)推出的系列高性能3D打印聚酰亞胺墨水材料為3D打印先進(jìn)制造技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的高精度、高耐熱性、高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和機(jī)構(gòu)的直接快速成型制造提供了新的機(jī)遇。在前期表面功能化3D打印以及高性能3D打印材料的基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)正與國(guó)內(nèi)著名高校和科研院所合作進(jìn)行抗輻照機(jī)構(gòu)、慣性儀器儀表陀螺儀和核武器開關(guān)部件微系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3D打印快速成型制造研究。
圖 5高性能3D打印聚酰亞胺墨水材料及DLP打印制作的耐高溫零部件
上述研究工作得到了中科院“西部之光”和蘭州化物所“特聘人才計(jì)劃”、甘肅省自然科學(xué)基金(1606RJZA051)和甘肅普銳特科技有限公司的支持。
