科學家開發出可降解的水溶性3D列印支撐材料

2020-11-30 騰訊網

中國3D列印網11月13日訊，目前一組研究人員已經開發出一種新材料，非常適合用作增材製造（3D列印）的通用水溶性載體。它的熱穩定性和牢固的附著力特性使其成為各種建築材料的理想支撐系統。

大多數製造商了解3D列印如何使他們能夠生產更堅固，更輕的零件和系統。儘管可以使用許多不同的材料來創建3D列印的模型，但最常用的是熱塑性塑料，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），聚乳酸（PLA）和聚碳酸酯（PC）。複雜的熱塑性部件和結構具有橋接或懸垂，在列印過程中需要支撐。由於這些支撐結構不是模型的一部分，因此需要在列印後將其刪除。此後處理步驟很重要，因為它會影響印刷零件的最終表面光潔度，強度和顏色。而且有時需要使用有害的化學物質，損壞模型的表面並降低生產率。因此，為3D列印支持結構選擇正確的材料至關重要。

BREAKVS可溶性支持結構

有兩種基本類型的材料可用於支撐結構：可分離和可溶。分離支撐結構通常由類似於印刷物體的材料構造。列印後，可通過修整，機械斷裂或磨損來去除支撐物。所有這些步驟都增加了工作量，因此增加了時間和成本。此外，移除3D列印支撐結構可能會在模型表面留下瑕疵，或與該結構一起破壞模型。另外，在使用高溫材料時，通常更難取下分離支撐。

可溶性支持的發展挑戰

開發水溶性載體是具有挑戰性的。首先，有限數量的真正可溶於水的市售樹脂。許多水溶性聚合物非常脆，這阻止了它們轉化為長絲。此外，使用傳統添加劑進行增塑通常會抑制熱穩定性和粘合性，從而嚴重限制了它們在3D列印中的使用。

第一代可溶載體有許多問題。有些使用了有害的化學藥品或強酸性或強鹼性溶液。儘管其中一些仍被廣泛使用，但是樹脂技術已經發展起來，現在商業市場上有大量的可溶性支撐材料，包括：

高度專有的樹脂（Stratasys SR30，SR35，SR100等）

基於常用的PVA或聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的樹脂

纖維素，例如羥丙基甲基纖維素（HPMC）

外來聚丁二醇乙烯醇（BVOH）

然而，這些產品都不是燈絲的理想選擇，因為它們不是熱穩定的。現在有一個更好的材料選擇。

足以溶解絲狀的水溶性樹脂

Infinite Material Solutions最近開發了一種既水溶性又熱穩定的複合材料。這種「開箱即用」的樹脂是由天然碳水化合物與柔軟，堅韌和水溶性的聚合物混合而成。新材料（商標為AquaSys120）是獨特的，因為它足夠堅硬，可以用作支撐絲。這種配方令人驚訝，因為許多純碳水化合物和水溶性聚合物都太脆而無法形成可用的長絲。多年來，配方設計師已經進行了許多嘗試來增塑水溶性樹脂，以便將其轉化為長絲。但是，添加增塑劑通常會大大降低基礎樹脂的熱穩定性。另外，增塑劑會抑制材料之間的粘附，從而嚴重限制了它們在3D列印中的使用。AquaSys 120使用高度複雜的工藝來生產1.75毫米和2.85毫米直徑的燈絲，可以成功地用於各種3D列印平臺和材料。

材料的好處和兼容性

這種新材料的各個組成部分已在工業上廣泛用於從包裝和藥物輸送到化妝品和個人護理產品的各種應用。根據可用於所有單個組件的信息，該材料具有親水性，生物相容性，可生物降解性，無毒且無致癌性。

這種新的長絲材料可用於最常見的3D列印技術，包括熔融長絲製造和直接材料擠出。它也與各種材料兼容，包括聚丙烯以及親水性和疏水性聚合物。與傳統的PVA相比，它具有出色的熱穩定性和其他優勢，這使其成為用於支撐絲的多功能，耐用和環保的材料。

這些優勢包括：

溶於水的速度比純PVA快

可以使用多種材料進行列印

具有增強的附著力

比PVA更快地被生物降解

在許多高溫下的熱穩定性

領先的PVA燈絲品牌可在215-225 C的溫度下進行印刷，最高底板溫度為60 C。另外，AquaSys 120燈絲可以在240-245 C的溫度下進行列印，最高底板溫度為130 C。

粘附特性

能夠構建可以粘附到可溶支撐物上的材料，反之亦然，這對於成功實現3D列印至關重要。支撐件和建築材料的相鄰層之間的粘合不良會導致脫落和列印故障。新材料經過設計，具有增強的粘合性能，可以解決此問題。它與長絲驅動3D列印平臺中使用的各種疏水性和親水性材料兼容，並且繼續與新型建築材料一起使用。

迄今為止，AquaSys 120已成功測試了聚醯胺（尼龍），共聚酯（CPE），丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），熱塑性聚氨酯（TPU），聚碳酸酯（PC）和聚烯烴（如聚丙烯（PP））。與傳統的PVA絲相比，它具有顯著的優勢，後者對CPE，ABS，TPU，PC和PP的粘合力有限。

溶解度

在相同印刷零件的頭對頭溶解試驗中，新型長絲材料在室溫（22℃）下的溶解速度是領先品牌PVA的兩倍，而在高溫（80℃）下的溶解速度快六倍。與PVA不同，在溶解之前，尤其是在高溫下，PVA可能形成凝膠，而新材料在> 35 C的溫度下可以乾淨地溶解而不會發生膠凝。

處置和生物可降解性

新的複合材料基於天然存在的碳水化合物，該碳水化合物在環境中會迅速礦化。這種碳水化合物成分的礦化可能需要數小時或數天。該材料的其餘成分的生物降解速度較慢，但與PVA一樣，基於呼吸處理礦化測試，使用廢水處理設施中的適應性汙泥，它們最終被認為可生物降解。

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