3D打印在實(shí)現(xiàn)材料組分的可控調(diào)節(jié)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；因而有不少學(xué)者相信，3D打印技術(shù)必然會(huì)在未來(lái)制造業(yè)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。3D打印的相關(guān)研究現(xiàn)在發(fā)展到什么程度，其原材料如何制備，制造方法如何開(kāi)發(fā)，加工條件有何影響，又在哪些方面已經(jīng)有了應(yīng)用？希望《Advanced Industrial and Engineering Polymer Research》的最新一期“3D Printing of Polymers”特刊文章，可以讓你一探究竟。

1. 綜述：聚合物納米復(fù)合材料的激光燒結(jié)

激光燒結(jié)是一種常用的增材制造(AM)技術(shù)，適用于汽車行業(yè)、醫(yī)療保健和消費(fèi)品等領(lǐng)域的各種應(yīng)用。 聚合物激光燒結(jié)除了具備適合終端使用零件生產(chǎn)的機(jī)械性能外，聚合物激光燒結(jié)還可以生產(chǎn)比許多其他AM技術(shù)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗恍枰谓Y(jié)構(gòu)，而且零件可以堆疊在建造區(qū)域以進(jìn)行更有效的處理。 理論上，廣泛的聚合物應(yīng)該可以通過(guò)激光燒結(jié)來(lái)處理。 然而，在實(shí)踐中，情況并非如此，目前只有少數(shù)聚合物能夠進(jìn)行可靠和一致的處理。

本文綜述了通過(guò)添加一系列有機(jī)和無(wú)機(jī)納米填料來(lái)提高激光燒結(jié)聚合物的加工性能、力學(xué)性能和功能性方面的研究。它驗(yàn)證了關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，包括納米相的分散，以及為克服它們而開(kāi)發(fā)的方法。探討了納米相對(duì)可加工性的影響，以及關(guān)鍵加工參數(shù)的重要性。討論了納米復(fù)合材料粉末生產(chǎn)技術(shù)和零件表征的最新進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了激光燒結(jié)件的最終性能及其潛在的應(yīng)用，并討論了研究所目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的潛在研究方向。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.003

2. 綜述：在制造領(lǐng)域利用智能材料進(jìn)行4D打印的重要作用

多年來(lái)，3D打印技術(shù) 在工程和醫(yī)療領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展； 還引進(jìn)了4D打印，它是3D打印的高級(jí)版本。 4D打印的過(guò)程是當(dāng)打印的3D物體由于外部能量輸入(如溫度、光線或其他環(huán)境刺激)的影響而成為另一種結(jié)構(gòu)。 該技術(shù)利用了具有良好的形變能力的智能材料的輸入。 自組裝和可編程材料技術(shù)旨在重新想象構(gòu)建、生產(chǎn)、組裝和產(chǎn)品性能。 4D打印應(yīng)用于工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 4D打印蛋白質(zhì)或許是一項(xiàng)偉大的應(yīng)用。 在這個(gè)新的維度下，3D打印的物體可以在光、熱、電、磁場(chǎng)等外部刺激的影響下自行改變形狀。

本文對(duì)4D打印技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論。以圖解的方式討論了4D打印在制造業(yè)領(lǐng)域的各種特點(diǎn)、發(fā)展及其應(yīng)用。概念化了4D增材制造的工作流程，并最終確定了4D打印在制造領(lǐng)域的十個(gè)主要作用。雖然可逆4D打印本身是一個(gè)奇妙的發(fā)展，但它是具有創(chuàng)新性的，在形變期間使用了耐用和準(zhǔn)確的可逆變材料。它幫助我們創(chuàng)造傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法輕易完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它似乎是不同行業(yè)的游戲規(guī)則改變者，因?yàn)樗蕾囎匀灰蛩囟皇悄茉?，而且完全改變了生產(chǎn)、開(kāi)發(fā)、捆綁和運(yùn)輸商品的方式。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.001

3. 綜述：增材制造應(yīng)用對(duì)環(huán)境可持續(xù)性的作用

增材制造(AM)利用其數(shù)據(jù)逐層生產(chǎn)復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，精度高，材料損耗少。與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造技術(shù)具有許多積極的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。最重要的是，減少了原材料的浪費(fèi)，使用了新的智能材料。它似乎專注于能夠減少材料浪費(fèi)、能源消耗和機(jī)器排放物組件的產(chǎn)出。有必要對(duì)增材制造技術(shù)及其應(yīng)用的環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)行研究。隨著越來(lái)越多的企業(yè)致力于加強(qiáng)他們的生態(tài)足跡，AM的可持續(xù)性正不斷地獲得動(dòng)力。有遠(yuǎn)見(jiàn)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者不斷地直面挑戰(zhàn)，鼓勵(lì)他們的員工找到新的方法來(lái)減少浪費(fèi)，改善員工的制造環(huán)境，并找到使用新材料的創(chuàng)新方法，使其變得更具可持續(xù)性。這些舉措推動(dòng)了產(chǎn)品、商品和服務(wù)的增值。

本文討論了增材制造在創(chuàng)建可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)方面的重大效益。最后，本文確定了AM在可持續(xù)性方面的12個(gè)主要應(yīng)用。雖然增材制造和技術(shù)的主導(dǎo)地位正在關(guān)鍵行業(yè)中確立，但它們的可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)在當(dāng)前的制造場(chǎng)所中是顯而易見(jiàn)的。主要目標(biāo)是鑒定增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制造的環(huán)境效益?，F(xiàn)在各個(gè)行業(yè)可以決定適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來(lái)滿足環(huán)境目標(biāo)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.005

4. 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的3D打印用混合雙組分纖維的拉擠

連續(xù)晶格制造是一種新引入的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的增材制造方法，可以在需要的地方沉積材料。這項(xiàng)技術(shù)的成功在于一個(gè)打印頭，在材料被擠壓之前，未固結(jié)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過(guò)一個(gè)擠壓模具沉積于平面之外，而不使用支撐結(jié)構(gòu)。然而，最先進(jìn)的復(fù)合原料，如混紡紗，由于其底層纖維結(jié)構(gòu)，即熱塑性纖維與增強(qiáng)長(zhǎng)絲混合，在可達(dá)到的材料質(zhì)量和部件尺寸方面存在局限性?；旌想p組分纖維克服了這些局限，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的增強(qiáng)纖維都包覆在熱塑性護(hù)套中。這樣一來(lái)，就可以避免耗時(shí)的纖維浸漬步驟，這些步驟是會(huì)給孔隙含量和材料質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響的。

本研究比較了混合雙組份纖維和市售混紡紗在不同加工條件下的拉膠質(zhì)量。介紹了在不同的模具填充度、模具溫度和拉擠速度下，對(duì)直徑為5 mm、含量50 ~ 60 % 玻璃纖維的聚碳酸酯復(fù)合材料型材進(jìn)行拉擠試驗(yàn)。結(jié)果表明，由混合雙組份纖維制成的拉膠比在相同條件下由混合紡絲制成的拉膠具有更低的空隙率。我們認(rèn)為這是由于固結(jié)機(jī)制的差異造成的，在混合雙組份纖維的情況下，與達(dá)爾西安流主導(dǎo)的混紡紗固結(jié)相比，主要是熱塑性套的聚結(jié)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.004

5. 用于醫(yī)療產(chǎn)品增材制造的基于超高分子量聚乙烯的雙組分原料

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有獨(dú)特的性能，但熔體流量(MFR)極低，約為零，不適合用聚合物的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行處理。 本文旨在研究不同等位PP含量的雙組分UHMWPE基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性質(zhì)。 復(fù)合材料采用三種方法制備： a）熱壓粉末混合物； b）顆粒熱壓縮； c）3D打印(FDM)。

結(jié)果表明，通過(guò)擠壓復(fù)合(顆粒熱壓縮和3D打印)得到的UHMWPE基復(fù)合材料在力學(xué)和摩擦性能（耐摩擦性、摩擦系數(shù)、楊氏模量和屈服強(qiáng)度）方面均優(yōu)于熱壓粉末混合物制備的復(fù)合材料。 在保持高摩擦和力學(xué)性能以及廣泛的載荷范圍內(nèi)必要的熔體流量(MFR)方面，最有效的是“UHMWPE+20%PP”復(fù)合材料，被推薦作為骨科摩擦單元復(fù)合形狀產(chǎn)品（關(guān)節(jié)部件）的原料。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.003

6. 用于聚酰胺12激光燒結(jié)的材料適應(yīng)性工藝策略的發(fā)展

聚合物激光燒結(jié)(SLS)是最有前途的增材制造技術(shù)之一，因?yàn)樗梢灾圃炀哂懈吡W(xué)性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件，而不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)。半結(jié)晶熱塑性塑料，最好用于SLS，需要在一定的表面溫度范圍內(nèi)加工，使材料同時(shí)存在于熔融狀態(tài)和固態(tài)。根據(jù)最常見(jiàn)的加工模式，這些高溫在整個(gè)建造階段都可保持。在目前的技術(shù)狀態(tài)下，這將導(dǎo)致高冷卻時(shí)間和延遲的組件可用性。

本文通過(guò)工藝自適應(yīng)方法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，證明了基于加深模型理解的材料自適應(yīng)性加工策略可以克服這一缺點(diǎn)。這些策略是基于聚酰胺12在高溫和準(zhǔn)等溫加工條件下，在粉末床表面以下幾層開(kāi)始結(jié)晶和凝固的事實(shí)。因此，等溫結(jié)晶和固結(jié)特性是通過(guò)適應(yīng)過(guò)程的材料表征來(lái)分析的。分析了激光加工過(guò)程中溫度場(chǎng)對(duì)零件截面、層數(shù)和加工參數(shù)的影響，并將其與加工后的零件性能進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。此外，通過(guò)控制零件冷卻來(lái)均勻化零件熱記錄的可能性，可通過(guò)模擬方法得到加強(qiáng)。作者指出，材料相關(guān)的凝固特性必須作為幾何相關(guān)和層相關(guān)的溫度場(chǎng)的函數(shù)來(lái)考慮，并證明了對(duì)材料和部件性能的主要影響。從這些發(fā)現(xiàn)看出，新的加工策略的激光曝光過(guò)程以及在z方向上成形室的溫度控制，可以加速LS過(guò)程和更均勻部件性能的早期可用性。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.05.002

7. 局部可彎曲短碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的3D打印

局部可彎曲的固體板是在單一的3D打印操作中制造的，使用單一的材料，即短碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)。 局部可彎曲CFRP板包括實(shí)心和可彎曲部件，采用雙級(jí)搭接結(jié)構(gòu)無(wú)縫連接。 可彎曲件采用平行十字結(jié)構(gòu)，實(shí)心件采用100%填充結(jié)構(gòu)。

通過(guò)改變平行橫截面結(jié)構(gòu)的梁角可以控制其彎曲性能。與實(shí)心板相比，彎曲剛度降低了近98%。循環(huán)彎曲試驗(yàn)表明，局部可彎曲CFRP板具有可逆彎曲變形。彎曲剛度降低約8-14%。然而，即使經(jīng)過(guò)100次彎曲變形，也沒(méi)有觀察到明顯的損傷。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.02.004

8. 沉積速度和擠壓溫度對(duì)FFF打印單層聚合物薄膜中細(xì)絲間融合的影響

熔絲制造(FFF)是一種增材制造技術(shù)，其中熔絲以可控的方式沉積在之前沉積的熔絲上或相鄰，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)建。 本研究旨在利用印刷的單層薄膜來(lái)表征單個(gè)細(xì)絲之間的融合鍵合程度，這有助于理解過(guò)程-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，優(yōu)化FFF過(guò)程中涉及的工藝參數(shù)（即沉積速度 和擠壓溫度）。

對(duì)于脆性聚乳酸(PLA)和球性聚丙烯(PP)，使用不同擠壓溫度（200°C至260°C）和沉積速度（30mm/s至90mm/s）制備具有平行于沉積方向的尖銳裂紋的單層雙邊緣缺口拉伸(DENT)試樣。描述了斷裂韌性(Kc)，定義為PLA脆性斷裂臨界載荷下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂的具體基本工作(We)，作為PP韌性韌性斷裂韌性的指標(biāo)。結(jié)果表明，該方法被證明是識(shí)別FFF過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)熔合鍵的影響的有效工具，顯示了斷裂韌性的強(qiáng)敏感性，無(wú)論是PLA的Kc 還是PP的We ，均可達(dá)到單絲之間融合粘接程度。

https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2021.07.002