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科学家开发出可降解的水溶性3D打印支撑材料

文章出处:中国3d打印网点击次数:作者:极光尔沃
      目前一组研究人员已经开发出一种新材料,非常适合用作增材制造(3D打印)的通用水溶性载体。它的热稳定性和牢固的附着力特性使其成为各种建筑材料的理想支撑系统。
       大多数制造商了解3D打印如何使他们能够生产更坚固,更轻的零件和系统。尽管可以使用许多不同的材料来创建3D打印的模型,但最常用的是热塑性塑料,例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚乳酸(PLA)和聚碳酸酯(PC)。复杂的热塑性部件和结构具有桥接或悬垂,在打印过程中需要支撑。由于这些支撑结构不是模型的一部分,因此需要在打印后将其删除。此后处理步骤很重要,因为它会影响印刷零件的最终表面光洁度,强度和颜色。而且有时需要使用有害的化学物质,损坏模型的表面并降低生产率。因此,为3D打印支持结构选择正确的材料至关重要。
  BREAKVS可溶性支持结构
       有两种基本类型的材料可用于支撑结构:可分离和可溶。分离支撑结构通常由类似于印刷物体的材料构造。打印后,可通过修整,机械断裂或磨损来去除支撑物。所有这些步骤都增加了工作量,因此增加了时间和成本。此外,移除3D打印支撑结构可能会在模型表面留下瑕疵,或与该结构一起破坏模型。另外,在使用高温材料时,通常更难取下分离支撑。
 可溶性支持的发展挑战
     开发水溶性载体是具有挑战性的。首先,有限数量的真正可溶于水的市售树脂。许多水溶性聚合物非常脆,这阻止了它们转化为长丝。此外,使用传统添加剂进行增塑通常会抑制热稳定性和粘合性,从而严重限制了它们在3D打印中的使用。
     第一代可溶载体有许多问题。有些使用了有害的化学药品或强酸性或强碱性溶液。尽管其中一些仍被广泛使用,但是树脂技术已经发展起来,现在商业市场上有大量的可溶性支撑材料,包括:
•高度专有的树脂(Stratasys SR30,SR35,SR100等)
•基于常用的PVA或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的树脂
•纤维素,例如羟丙基甲基纤维素(HPMC)
•外来聚丁二醇乙烯醇(BVOH)
      然而,这些产品都不是灯丝的理想选择,因为它们不是热稳定的。现在有一个更好的材料选择。
  足以溶解丝状的水溶性树脂
        Infinite Material Solutions最近开发了一种既水溶性又热稳定的复合材料。这种“开箱即用”的树脂是由天然碳水化合物与柔软,坚韧和水溶性的聚合物混合而成。新材料(商标为AquaSys™120)是独特的,因为它足够坚硬,可以用作支撑丝。这种配方令人惊讶,因为许多纯碳水化合物和水溶性聚合物都太脆而无法形成可用的长丝。多年来,配方设计师已经进行了许多尝试来增塑水溶性树脂,以便将其转化为长丝。但是,添加增塑剂通常会大大降低基础树脂的热稳定性。另外,增塑剂会抑制材料之间的粘附,从而严重限制了它们在3D打印中的使用。 AquaSys 120使用高度复杂的工艺来生产1.75毫米和2.85毫米直径的灯丝,可以成功地用于各种3D打印平台和材料。
  材料的好处和兼容性

        这种新材料的各个组成部分已在工业上广泛用于从包装和药物输送到化妆品和个人护理产品的各种应用。根据可用于所有单个组件的信息,该材料具有亲水性,生物相容性,可生物降解性,无毒且无致癌性。

        这种新的长丝材料可用于最常见的3D打印技术,包括熔融长丝制造和直接材料挤出。它也与各种材料兼容,包括聚丙烯以及亲水性和疏水性聚合物。与传统的PVA相比,它具有出色的热稳定性和其他优势,这使其成为用于支撑丝的多功能,耐用和环保的材料。
这些优势包括:

•溶于水的速度比纯PVA快
•可以使用多种材料进行打印
•具有增强的附着力
•比PVA更快地被生物降解
  在许多高温下的热稳定性
      领先的PVA灯丝品牌可在215-225ºC的温度下进行印刷,最高底板温度为60ºC。另外,AquaSys 120灯丝可以在240-245ºC的温度下进行打印,最高底板温度为130ºC。
  粘附特性
       能够构建可以粘附到可溶支撑物上的材料,反之亦然,这对于成功实现3D打印至关重要。支撑件和建筑材料的相邻层之间的粘合不良会导致脱落和打印故障。新材料经过设计,具有增强的粘合性能,可以解决此问题。它与长丝驱动3D打印平台中使用的各种疏水性和亲水性材料兼容,并且继续与新型建筑材料一起使用。
       迄今为止,AquaSys 120已成功测试了聚酰胺(尼龙),共聚酯(CPE),丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),热塑性聚氨酯(TPU),聚碳酸酯(PC)和聚烯烃(如聚丙烯(PP))。与传统的PVA丝相比,它具有显着的优势,后者对CPE,ABS,TPU,PC和PP的粘合力有限。
  溶解度
        在相同印刷零件的头对头溶解试验中,新型长丝材料在室温(22℃)下的溶解速度是领先品牌PVA的两倍,而在高温(80℃)下的溶解速度快六倍。与PVA不同,在溶解之前,尤其是在高温下,PVA可能形成凝胶,而新材料在> 35ºC的温度下可以干净地溶解而不会发生胶凝。
  处置和生物可降解性
       新的复合材料基于天然存在的碳水化合物,该碳水化合物在环境中会迅速矿化。这种碳水化合物成分的矿化可能需要数小时或数天。该材料的其余成分的生物降解速度较慢,但与PVA一样,基于呼吸处理矿化测试,使用废水处理设施中的适应性污泥,它们最终被认为可生物降解。 



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