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Descripción general de los materiales de impresión 3D y sus aplicaciones: materiales poliméricos de impresión 3D

La tecnología de impresión 3D es una tecnología de fabricación inteligente que se originó en la década de 1980 e integra maquinaria, computadora, control numérico y materiales. El principio básico de esta tecnología es que según la información de la sección bidimensional obtenida mediante el procesamiento en capas de piezas sólidas tridimensionales, se utilizan puntos, líneas o superficies como unidades básicas para apilar y fabricar capa por capa, y finalmente las piezas sólidas. o se obtienen prototipos. La impresión 3D es diferente de los métodos de fabricación tradicionales de reducción de materiales (como el corte) y materiales iguales (como la forja). Puede realizar la fabricación de piezas estructurales complejas que son imposibles o difíciles de lograr con métodos tradicionales, y reducir en gran medida los procedimientos de procesamiento y acortar el ciclo de procesamiento. Por lo tanto, ha recibido una gran atención por parte de investigadores de todo el mundo.

La tecnología de impresión 3D se aplicó por primera vez a la fabricación rápida de varios prototipos, por lo que en sus inicios también se llamó Rapid Prototyping (RP). Debido a la limitación de los tipos de materiales, la primera tecnología de impresión 3D utilizaba principalmente materiales poliméricos orgánicos, y sus propiedades mecánicas y químicas eran en su mayoría difíciles de satisfacer las necesidades de las aplicaciones prácticas. Con el desarrollo de la tecnología de materiales y equipos, es cada vez más urgente aplicar esta tecnología a la fabricación de componentes terminales. Por lo tanto, no sólo se imponen requisitos más altos para los equipos de impresión 3D, sino que también aumentan los requisitos para diversas propiedades de los materiales de impresión 3D.

El material de impresión 3D es una base material importante de la tecnología de impresión 3D y su rendimiento determina en gran medida el rendimiento integral de las piezas formadas. Hasta ahora, sus categorías de materiales han sido muy ricas e incluyen principalmente materiales poliméricos, materiales metálicos, materiales cerámicos, etc. Este artículo presenta primero las características, los requisitos de rendimiento y las aplicaciones relacionadas de los materiales poliméricos.

El polímero termoplástico es uno de los materiales de impresión 3D más comunes. Los polímeros termoplásticos comunes para la impresión 3D incluyen plástico de acrilonitrilo butadieno estireno (acrilonitrilo butadieno), ácido poliláctico (PLA), poliamida (nylon) (PA), policarbonato (PC), poliestireno (PS), policaprolactona (PCL), polifenilsulfona (PPSF), poliuretano termoplástico (caucho elástico), polieteretercetona (PEEK), etc.

El PLA y el acrilonitrilo butadieno son los consumibles más utilizados para FDM, que son muy populares debido a sus bajos precios. El acrilonitrilo butadieno es un plástico de ingeniería común con buenas propiedades mecánicas, pero las condiciones de impresión 3D son exigentes, lo que es propenso a deformaciones y olores irritantes durante la impresión. El PLA es un plástico biodegradable y respetuoso con el medio ambiente con buen rendimiento de impresión. Es un polímero termoplástico ideal para impresión 3D y se ha utilizado ampliamente en educación, tratamientos médicos, arquitectura, diseño de moldes y otras industrias. Además, el PLA también tiene buena biocompatibilidad y el PLA modificado con hidroxiapatita se puede utilizar para fabricar andamios de ingeniería de tejidos.

PA es un polímero semicristalino que puede formarse mediante SLS para obtener componentes de alta gravedad específica y alta resistencia, y es uno de los principales consumibles de SLS. La PA utilizada en SLS debe tener una alta esfericidad y uniformidad del tamaño de las partículas, y generalmente se prepara mediante pulverización a baja temperatura. El polvo compuesto de PA se puede preparar agregando materiales inorgánicos como cuentas de vidrio, arcilla, polvo de aluminio, fibra de carbono, etc. La adición de estos rellenos inorgánicos puede mejorar significativamente el rendimiento en algunos aspectos, como resistencia, resistencia al calor, conductividad, etc. ., para cumplir con los requisitos de aplicación en diferentes campos.

PCL es un termoplástico no tóxico y de bajo punto de fusión. El cable PCL se utiliza principalmente como consumidor de bolígrafos de impresión 3D para niños. Debido a su baja temperatura de formación (80~100 °C), tiene una alta seguridad. Vale la pena mencionar que el PCL tiene una excelente biocompatibilidad y degradabilidad, por lo que puede usarse como material de soporte para la ingeniería de tejidos en biomedicina. Las propiedades mecánicas y la biocompatibilidad también se pueden mejorar dopando nanohidroxiapatita y otros materiales. Además, los materiales PCL también tienen un cierto efecto de memoria de forma, lo que tiene cierto potencial en la impresión 4D.

El caucho elastomérico es un polímero termoplástico con buena elasticidad. Su rango de dureza es amplio y ajustable, y tiene cierta resistencia al desgaste y al aceite. Es adecuado para la fabricación de materiales para calzado, bienes de consumo personal, componentes industriales, etc. Combinada con la tecnología de impresión 3D, se puede fabricar la compleja estructura porosa que es difícil de fabricar mediante la tecnología de conformado tradicional, lo que hace que las piezas tengan características únicas y ajustables. propiedades mecánicas. El rendimiento elástico y la resistencia al servicio de la plantilla de goma elástica porosa impresa con tecnología SLS han alcanzado el estándar del mercado.

PEEK es un polímero semicristalino con alto punto de fusión (343 °C), excelentes propiedades mecánicas y excelente biocompatibilidad. Actualmente es un material de impresión 3D de moda. El módulo de Young del PEEK puro es 3,86 ± 0,72 GPa y puede alcanzar 21,1 ± 2,3 GPa después de ser reforzado con fibra de carbono, que es el más cercano al módulo de Young del hueso humano. Puede evitar eficazmente el fenómeno de protección contra la tensión y de holgura del hueso humano después de ser implantado en el cuerpo humano. Es un material de implante ortopédico ideal. Los implantes PEEK fabricados mediante tecnología de impresión 3D (Figura 1) pueden cumplir con los requisitos personalizados de implantes personalizados para diferentes pacientes con diferentes condiciones. En la actualidad, los implantes PEEK impresos en 3D en China han logrado buenos resultados en la práctica clínica.

materiales de impresión 3D

Figura 1 Modelo CAD de prótesis de esternón y objeto real

El próximo artículo presentará materiales metálicos para la impresión 3D.

materiales de impresión 3D

Fibra de vidrio continua/filamento PLA
Fibra de vidrio continua/filamento PLA
Fibra de vidrio continua/filamento PEEK
Fibra de vidrio continua/filamento PEEK
Fibra de vidrio continua/filamento PA6
Fibra de vidrio continua/filamento PA6
Fibra de carbono continua/filamento PEEK
Fibra de carbono continua/filamento PEEK

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