基于木塑基耗材的增材制造技能协商进步

闫承琳1,2，刘东2，刘子昕2，李晓旭2*

（1.华夏林业科学协商院林业新技能协商所，北京；２.华夏林业科学协商院木料产业协商所，北京）

关键词

木塑基耗材；熔融堆集；激光烧结；黏结剂放射；增材制造技能

概要

以木、竹等生物质材料为基材的3D打印木质成品，兼具木料质感与填充材料的杰出功用，是实行可更生资本不断欺诈的急迫道路之一。归纳了比年来木塑基耗材的增材制造协商、工艺擢升和设置研发的最新进步。首先讲解了经过木粉、木质纤维素、纳米纤维素等为基材或加强组分混杂PLA、ABS和TPU等，实行对原材料制备的冲破；其次剖析了对3D打印木塑基复合材料死板功用和界面相容性等关键技能参数的协商报导；再叙述了基于木塑基耗材FDM、SLS和3DP等不同成型工艺的办法翻新及其产业化应用探究，胪陈了现在基于木塑基耗材的增材制造设置旨趣及其研发掘状，议论了设置研发中亟待办理的关键题目；结尾，从原材料制备木质含量较低、品种偏少，成品材料功用有待擢升，以及设置成型效率偏低等三方面，剖析了现在基于木塑基耗材的增材制造面对的技能困难与挑战，并从专用耗材、专用设置和全经过工艺研发，以及评估与准则体制建筑两个方位提议来日大概的进步趋向。国表里危害须要完全的木质材料增材制造办理计划，以期实行其从观点考证应用转向产物大范围和贸易化临盆。增材制造（additivemanufacturing，AM）技能也称3D打印技能，是经过CAD打算数据，采纳材料逐层累加的办法制造实体零件的技能。比拟保守材料去除（切削加工）技能，其无需刀具和模具等多道加工工艺，将烦琐的三维制造更动为较为简明可控的逐层累加的二维制造，大大擢升了材料制造的效率，消沉了繁杂模子制造的难度。增材制造技能合用的材料囊括塑料、金属、石膏、木料、凝胶、泡沫等，现在应用较多的几种罕见AM工艺囊括：熔融堆集成型（fuseddepositionmodeling，FDM）、光固化成型（stereolithographyapparatus，SLA）、粉末床成型[取舍性激光烧结（selectivelasersintering，SLS）和取舍性激光熔融（selectivelasermelting，SLM）]和黏结剂放射成型（threedimensionalprinting，3DP）等。增材制造技能已在航空航天、生物养息、汽车等范围获得本色性进步，且其应用范围不休增添。

增材制造技能协商

紧要召集在成型原材料、成型工艺、设置系统3个方面。年第一台3D打印机降生，加入21世纪以后，跟着设置革新换代周期越来越短，增材制造响应的建模程序、配套系统妥协决计划也都加入高速进步期。近几年材料工程一跃成为顶级热点专科，然则合用于增材制造技能的材料品种依然有限，由于临盆效率低，致使节减材料成本的成就不够以促使新材料开拓，大大都协商都召集在制造现有材料和经容许的材料上。木质材料取材遍及、经济节能、轻质环保，改性管教后具备杰出的物理化学功用，以木料、竹材和木质纤维素等为基材的3D打印成品，兼具木料自然质感和填充材料的杰出功用，跟着增材制造技能的进步，3D打印木塑基复合材料制备及其专用增材制造设置研发将成为冲破增材制造现阶段瓶颈的急迫取舍之一。比年来，基于木塑基耗材的增材制造技能协商紧要囊括木、竹等基材复合材料的FDM、SLS与3DP等工艺技能探究与设置研发等，华夏林业科学协商院林业新技能协商所闫承琳、木料产业协商所李晓旭等基于上述工艺种别，对国表里学者在原材料制备和功用等方面的协商做了较为详细的叙述，剖析了高校、科研机洽商企业在3D打印工艺擢升和设置研发中获得的进步，结尾归纳了基于木塑基耗材的增材制造范围有待办理的题目及来日进步趋向。

01

用于增材制造的木塑基耗材协商

木塑复合材料与自然木料比拟具备成本低、耐腐化、抗虫、寿命长等益处，是现在最环保和最具更生欺诈上风的材料之一。木塑复合材料应用3D打印是较为老练的技能，现在制备的大大都新式3D打印木质复合材料均能够划归这一范围。基于木塑基耗材的增材制造工艺经过中，国表里学者罕用的热塑性基质囊括聚乳酸（polylacticacid，PLA）、高密度聚乙烯（highdensitypolyethylene，HDPE）、聚丙烯（polypropylene，PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrilebutadienestyrene，ABS）、热塑性聚氨酯（thermoplasticpolyurethane，TPU）等，不少协商都触及个中一种或几种。1.1原材料制备聚乳酸资料泉源充裕、能够更生、易于降解和打印，在基于木塑基耗材的增材制造范围常常做为基材。Tao等制备了一种新式木粉（woodflour，WF）/聚乳酸复合长丝，剖析考证了其合用于FDM工艺的可行性。解光强采纳不同的甘油和柠檬酸三丁酯（TBC）组合营为增塑剂，经过熔融挤出法制备了一各类木粉-聚乳酸3D打印纤维。董倩倩等用PLA和化学改性松木粉（pinewoodflour，PWF）齐集，辅以小量纳米二氧化硅（nano-SiO2），制备了合用于FDM工艺的木塑复合材料。Yang等采纳熔融共混法制备了具备高光辉和抗菌功用的微米级铜锌合金颗粒-加强刨花板木粉/聚乳酸（mCu-Zn/PWF/PLA）木塑复合材料做为FDM的线材。TPU和ABS也是现在对比老练的3D打印基材，与木质材料复合表现了其特殊的材料属性、杰出的力学功用和稳固的化学性质。Bi等采纳3D打印技能，以木粉/热塑性聚氨酯做为复合长丝，制备了不同木粉含量和不同改性剂的WF/TPU复合材料。赵子瑨为了系统协商材料构成与3D打印材料功用间的瓜葛，应用FDM工艺制备了一种针叶浆/ABS木塑复合材料。自然植物纤维密度低、死板功用杰出、价钱较低、处境交情，常常做为加强组分以改进3D打印材料功用，木质纤维素(囊括纤维素、半纤维素和木质素)生物质复合材料的开拓欺诈使增材制造技能更具吸引力和商场潜力。Zander等采纳固态剪切毁坏工艺，回收聚丙烯、废纸板和木粉等材料制成了可用于FDM的聚丙烯/纤维素复合材料。马森欺诈芦苇（PhragmitesAustralis）酶解后的固体残渣和木质素制备了新式3D打印复合材料。纳米纤维素依照结晶度高下可分为纤维素纳米晶（cellulosenanocrystal，CNC）和纤维素纳米纤维（cellulosenanofiber，CNF），能够用险些一共植物质源做为资料，分量是钢铁的1/5，强度倒是钢铁的5倍以上，也是高分子复合材猜中罕用的加强组分。Markstedt等将CNF与一种从云杉（PiceaasperataMast）中讨取的木聚糖（半纤维素）混杂，制备了一种全木质3D打印仿生油墨。刘灏采纳甘蔗（Saccharumofficinarum）渣纤维和从针叶木浆中讨取的纤维素纳米晶（CNC）对PLA举行改性，制备了可用于FDM的新式纤维素/PLA生物质复合材料。可轮回更生、可降解的纳米纤维素的浮现，极地面促使了3D打印木塑复合材料的进步。1.2功用协商材料的死板功用，特为力学功用是材料的急迫功用目标之一。Pitt等协商了由可轮回欺诈木料废物制成的3D打印耗材布局的死板功用，将木粉、黏结剂和玻璃纤维混杂可加强耗材的力学功用。Kariz等协商了不同木料含量对FDM长丝物理、死板和流变功用的影响。LeGuen等发掘欺诈聚乳酸双螺杆挤出复正当（稻壳和木粉为资料）制备的FDM长丝中，两种生物质对化合物的流变动做和挤出经过的大众稳固性有不同的影响。Badouard等采纳由亚麻纤维和薄片开拓的可生物降解3D打印纤维，测试了不同基质FDM长丝的力学功用。Vaidya等发掘聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）复合材料（含生物炼制木质素）的剪切变薄性格可在3D打印经过中加强层间的黏附性。材料的相容性/化学反响性是改性协商的要点之一。闫承琳等欺诈马来酸酐等对竹粉与HPDE混杂粉末举行改性，协商了基于3DP快速成型技能的竹塑复合材料界面相容性。姜凯译等以红木粉与聚醚砜（PES）的混杂粉末为紧要资料、电气石粉末为功用填料制备的木塑基复合材料为测验目标，协商了该材料组分间的SLS界面分离机理。操纵偶联剂能够擢升材料界面的分离强度，硅烷偶联剂是一类遍及应用于自然纤维与高分子材料界面分离的高效偶联剂。陆颖昭等采纳硅烷偶联剂KH对以漂白针叶木浆、聚乙二醇和二氯甲烷为资料制备的微纳纤维素（MNC）举行改性，协商了其对熔融共混法制备的MNC/PLA复合材料断面形态、死板功用和3D打印功用的影响。Jiang等采纳3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)对3D打印木质纤维素/聚乳酸复合材料举行表面改性，并举行了红外、X射线衍射、扫描电子显微镜、能量色散光谱、热重剖析和力学功用测试。

02

基于木塑基耗材的增材制造工艺

跟着木塑基耗材增材制造技能在原材料制备上的冲破，常常3D打印设置对更多材料的合用性加强，同时增材制造行业准则榜样逐年增多，给基于木塑基耗材的增材制造工艺办法翻新和技能擢升奠基了根本。木塑基耗材增材制构成型工艺办法协商现在紧要囊括基于木、竹基复合材料的FDM、SLS与3DP等。2.1木塑基耗材的熔融堆集工艺FDM长丝为热熔性线材，能合用于金属粉末材料、高分子热塑性材料、木质复合材料等险些统统品种材料的增材制造。基于木塑基耗材的FDM工艺多以树脂包覆木、竹粉末颗粒与填充颗粒熔融挤压后，堆集成型制成3D打印线材，是基于木塑基耗材增材制造范围应用最先、最遍及的工艺，近10年来已实行了老练的工场化临盆。从年开端，德国Orbi-Tech公司欺诈木粉颗粒混杂PLA研发了LayWoo-d3的3D打印线材，个华夏材料40%是回收木料，线材在~℃高温下欺诈常常FDM设置完竣成型加工，该公司研发的LayWoo-d3最新线材直径可达1.75mm，采纳LayWoo-d3能够打印出具备不同木纹的成型件，如图1所示。年，广州傲趣电子科技公司研发了基于FDM技能的专科木质线材，线材的木料含量不低于10%，比拟LayWoo-d3线材更适应国产FDM设置。年，波兰的工程师团队欺诈FDM的木质线材（LayWoo-d3和ColorFabbWoodfillFine）打印出了一种木料质感的功用手表Jelwek，模式新颖漂亮，如图2所示。年，捷克Fillamentum公司将推出的Timberfill长丝品种增添到4种，囊括TimberfillCinnamon（肉桂）、TimberfillChampagne（香槟）、TimberfillLightWood（轻色木）、TimberfillRosewood（红木），直径有1.75和2.85mm两种，这类长丝可实行%生物降解。年，荷兰FormFutura公司也推出一种木质填充PLA纤维的3D打印线材，这款名为EasyWood的线材木料填充量到达40%，直径为1.75mm，其上风是长丝根本无翘曲，欺诈EasyWood线材能够经过温度的变动改动色彩和颜色，依照含有的木质成份曾经推出7种材料，顺序是Olive（橄榄）、Birch（桦木）、Ebony（黑檀）、Pine（松木）、Willow（柳木）、Cedar（雪松）和Coconut（椰子），如图3所示。2.2木塑基耗材的激光烧结工艺SLS可用于烧结和固化金属基、陶瓷基和高分子基粉末等材料，成型件死板功用好、强度高，无需模具等支持，可供采用材料品种多，但设置成本较高，成型件表面较粗拙，松散多孔，须要举行后管教。年起，东北林业大学郭艳玲团队提议了木塑复合材料SLS成型工艺计划，欺诈木质纤维和高分子塑料混杂而成的粉末烧结成型木塑复合材料，针对成型工艺及后管教技能等开展了大批干系协商，开拓的成型成品精度到达0.1mm，增添了SLS的应用界限。年，比利时Materialise公司推出了一种合用SLS工艺的褐色木片粉末材料，采纳该精巧颗粒能够打印出具备微多孔和丰硕颗粒感的3D打印工艺品，如图4所示。现在商场上还未将木塑复合粉末这类处境交情型材料大批应用到SLS技能上，仍存在缺少干系行业准则、海外龙头企业操纵、国内企业限定于技能壁垒等题目，构成SLS可用原材料成本居高不下。因而，基于木塑基耗材的SLS工艺在成型件后管教繁杂工艺简化、成型精度与强度擢升，以及成本把持方面仍需进一步冲破。2.3木塑基耗材的黏结剂放射工艺3DP是微滴放射旨趣与粉末床成型相分离的增材制造工艺，打印速率快，可制做彩色原形，实行常温成型。放射成型分离光固化后效率大大擢升，比拟激光制造的最大益处是冲破了尺寸束缚，使得打印尺寸到达数米，但成型强度略低，精致性不强。年起，闫承琳团队把黏结剂微滴放射粉末材料成型旨趣与紫外光快速固化液体树脂技能相分离，基于木质材料性格，开展了以竹木加工残余物为主资料的基于木塑基耗材的增材制造协商，充裕表现3DP技能常温成型的益处，实行了木塑基耗材成品的中低温（加工温度不高出℃）增材制造，将成型精度把持在0.1mm，同时木粉含量冲破20%。年，美国DesktopMetal公司告诉推出以锯末和木质素为原材料的ForustTM工艺，采纳单程黏合剂放射技能，打印部件具备与向例木料一致的功用性和刚度，如图5所示。3DP成型工艺技能的协商为增材制造供应了一种新式环保、节能的低成本绿色制造方法，但在常温成型、成型精度和强度方面仍需冲破性进步。2.4其余工艺除上述协商外，国表里学者基于其余工艺办法，对木塑基耗材增材制造范围做出了新的探究。Kam等展现了由木质复合材料做为打印目标构成的三维布局，并将木粉、细粉状木料或更生木料（被以为是木料产业的廉价钱副产物）与由纤维素纳米晶体和木葡聚糖构成的黏合剂分离操纵，借此能够从产业支流中讨取材料。哥伦比亚大学3D打印测验室操纵体素映照以再建木料的外部和内部纹理，欺诈Inkjet-style技能混杂不同的树脂材料打印制造内部和表面全彩色木纹理的部件。Jiang等开拓了一种低成本的直接油墨印刷计谋来制造基于木质素的三维布局，解释了可生物降解材料在某些应用范围显示出庖代塑料的庞大潜力。Tao等依照木料布局的各向异性，欺诈μ-CT技能重构组合成新的三维模子，协商了根本模子的摆列安置与3D打印木塑基复合材料抗压功用之间的瓜葛。Sang等欺诈图象管教和表面管教技能，提议了一种能在木质基材上打印出三维木料纹理的数字化UV固化喷墨技能。

03

基于木塑基耗材的增材制造设置研发

3.1木塑基耗材的熔融堆集成型设置FDM增材制造设置（图6）紧要由三维挪移机构、挤出安装、热熔喷头以及成型平台构成。劳动经过是经过送丝机构将上述长丝状热熔性线材送进热熔喷头，线材在喷头内加热熔融，同时喷头沿零件切片表面和填充轨迹活动，并将熔融后的材料挤出，使其堆集在指定的地方后固结成型，并与前一层曾经成型的材料黏结，层层堆集终究构成产物模子。FDM设置价钱低廉、劳动稳固、材料欺诈率高，现在国表里临盆厂家仍欺诈常常FDM增材制造设置完竣木质线材熔融堆集成型打印。美国Stratasys公司的FDM设置成型精度达0.2mm，操纵木质线材打印的成型件强度较高，且替换材料只要历时几分钟，能够餍足从观点模子到耐用零件的打印。Prusai33D打印机是一款采纳Cura软件的开源3D打印机，打印尺寸为mm×mm×mm，外表简明但功用完备，个中JelwekPrusai33D打印机可兼容各样材料，囊括PLA、尼龙、Laywood、Woodfill等。东北林业大学以STM32为根本打算了一款挤出式木塑颗粒3D打印机，采用袖珍螺杆做为打印机的送料安装，保存常常FDM打印机的三维活动平台，探究研发木塑复合材料FDM工艺增材制造专用设置。FDM工艺现在存在成型精度较低、成型件表面原料较差等题目，不合适精巧仪器零部件的临盆。3.2木塑基耗材的取舍性激光烧结成型设置SLS成型设置（图7）紧要由供粉缸、成型缸、激光器、激光器光路系统、振镜系统以及推粉安装构成。劳动经过首先是铺粉机构将一层很薄的粉末（金属、陶云瓷、木塑混粉）等摊平到劳动平面上，数控系统操控激光束遵从该层截面表面在粉层赶上行扫描晖映而使粉末的温度升至熔点，烧布局成一个层面，使粉末熔融固化成截面形态。当一层截面烧结完竣后，劳动台下落一个层厚，再次运转铺粉机构在已烧结粉层表面匀称铺粉，举行下一层烧结，这样屡屡直至成型件统统成型。从21世纪开端，欧洲和美国持续推出如Pwdr、Focus、CASA等激光烧结3D打印机，但木质材料与激光烧结设置分离的技能较为粗拙而且进步迟钝。郭艳玲团队依照SLS的工艺请求，打算了一种基于Arduino把持系统的激光3D打印机，采纳国产CO2激光产生器，使设置能够烧结尼龙、树脂、木塑等大部份非金属材料，现在已胜利研发出样机，填补了国内木塑基耗材激光烧结打印设置的空白。现阶段，木塑基耗材的SLS设置在通用性、成本、精度等方面照样存在着较大的进步擢升起间。美国3Dsystems、德国EOS和TPM3D盈普团队、华夏华中科技大学和北京隆源有限公司等国表里企业和科研院校都在现有根本上主动拓展激光烧结设置合用材料的界限。3.3木塑基耗材的黏结剂放射成型设置3DP成型设置（图8）紧要由供粉机构、铺粉安装、黏结剂放射系统、三维活动系统和固修饰置等构成，欺诈黏结剂放射系统打印喷头逐点放射黏结剂来粘接粉末材料的办法制造原形件。劳动经过中铺粉安装将劳动台粉末摊平，喷头登时遵从系统设定路途将液态黏结剂放射在预先粉层上的指定地域中，上一层黏结了结后，成型缸下落一个间隔（即是层厚），供粉缸飞腾一个层厚的高度，完竣系统供粉、粉末摊平并被压实、黏结剂放射、过剩粉末回收至集粉安装等过程。这样屡屡送粉、铺粉和放射黏结剂，终究完竣三维粉体的黏结固化成型。年，麻省理工学院（MIT）首创了基于喷墨旨趣的3D打印成型工艺和黏结剂放射式3D打印机。加入21世纪后，美国3DSYSTEMS公司采纳单喷头多喷嘴技能研发了全彩、快速打印复合材料的低成本ProJet系列黏结剂放射3D打印机，Voxeljet公司推出了层厚0.12~0.30mm、成型效率高达L/h的超大成型尺寸（mm×0mm×0mm）的砂模黏结剂放射3D打印机。DesktopMetal公司旗下的ShopSystem或RAMD打印机合适批量打印中袖珍木质零件，最大能够打印mm×mm×mm的木成品。闫承琳团队研发了基于紫外光快速固化与黏结剂放射技能的木塑基耗材3D打印安装，以后开拓了集铺粉、放射、固化和后管教多功用于一体的林业生物质专用黏结剂放射成型设置，现在，木塑基耗材3DP设置的紧要冲破方位是高精度、低成本、超大尺寸快速打印，以及产业级专用3DP设置。美国ExOne和Systems公司、德国Voxeljet公司、华夏上海富奇凡公司等企业和科研院校都在现有根本上主动研发合用多类复合材料的3DP设置。3.4其余设置现在增材制造正趋于系统化、平台化、生态化，黏结剂、粉末回收管教和多喷头喷嘴等技能的进取灵验增进了干系增材制造工艺或设备的进步。年，成都新柯力化工公司首创了一种以植物纤维和木质素为紧要原材料的能够快速固化木质材料的3D打印用黏结剂，办理了保守木料黏结剂尽管具备杰出的粘接强度，但固化时光太长而不合用于3D打印的题目。年，华曙高科研发了一种清粉和筛粉集成安装及粉末回收管教系统，擢升了粉末转运和算帐效率。HP喷头推出了包罗个喷嘴的喷头，分辩率dpi，层厚0.12~0.30mm，灵验擢升了增材制造的打印速率。青岛科技大学首创的不断纤维加强复合材料微反响喷头，经过增多不断纤维与基体材料间的效用水平和做历时光擢升两者间的粘接强度，从而擢升产物大众死板功用。国际上，ISO/TC、CEN/TC和ASTMF42曾经完竣协定，配合建筑和施行统一套增材制造准则体制，制订和奉行统一套技能准则。国内于年创设天下增材制造准则化技能委员会（SAC/TC），经过一批高原料技能准则的制订与奉行，充裕表现准则对增材制造财产进步的规制和引领效用，特为是缭绕增材制造设置靠得住性、稳固性、平安性等须要，制订增材制造设置平安和功用评估准则。基于木塑基耗材的增材制造技能进步一样危害须要制订奉行干系国度、行业或大众准则，领导木塑基耗材成品增材制造专用材料、工艺、设置、探测等一系列劳动，从而推开产业级木塑基耗材增材制造设置研发经过，经过制订和奉行测试办法准则，擢升增材制造技能及产物的商场适应本事，拓宽应用范围。

04

题目与预计

4.1存在题目现在，基于木塑基耗材的增材制造还存在一些须要办理的题目与挑战，紧要囊括：①3D打印木塑基复合材料的木质含量较低，耗材品种偏少。首先，如安在临盆具备“减材”制造雷同死板强度复合材料及成品的同时，制备高木质含量打印线材或打印混粉，更好地表现木料自然属性上风，是原材料制备的要点冲破方位之一。其次，原材料制备现在紧要召集在木、竹材料，其余秸秆等生物质材料增材制造还较为罕有，经过增添木质纤维泉源、丰硕3D打印木塑基耗材品种从而消沉材料成本，也是原材料制备的


转载请注明地址:http://www.yamazia.com/ymzxt/12564.html