中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室表界面研究團(tuán)隊(duì)在3D打印高性能墨水材料方面取得突破進(jìn)展。他們發(fā)展了3D打印高性能聚酰亞胺光敏樹(shù)脂，其優(yōu)異的綜合性能使高精度、高耐熱性、高強(qiáng)度復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件和機(jī)構(gòu)的直接3D快速成型制造成為可能。

3D打印技術(shù)(亦稱(chēng)增材制造)，是一種快速制造具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的先進(jìn)成型技術(shù)。其中，光固化3D打印(如SLA、DLP等)因打印精度高、打印物體表面質(zhì)量好，在制造形狀特別復(fù)雜(如空心)和特別精細(xì)(如工藝品、首飾等)的零部件方面均倍受?chē)?guó)內(nèi)外3D打印業(yè)關(guān)注。然而，目前用于光固化3D打印的樹(shù)脂材料主要為丙烯酸脂系或環(huán)氧樹(shù)脂系等材料，使用該類(lèi)樹(shù)脂材料打印的成型件存在機(jī)械強(qiáng)度差、耐高溫性差、易吸濕膨脹及耐化學(xué)穩(wěn)定性不佳等缺點(diǎn)，大多只能在100oC以下環(huán)境中使用，因此其應(yīng)用主要局限在模型、樣件和設(shè)計(jì)驗(yàn)證及藝術(shù)產(chǎn)品制作，而難以突破零部件直接制造的瓶頸問(wèn)題。因此，發(fā)展高性能3D打印墨水材料，從而滿足在汽車(chē)、航空航天、電子等綜合性能要求較高領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，已成為國(guó)內(nèi)外3D打印領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)和研究重點(diǎn)之一。

聚酰亞胺作為一種特種工程材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐高溫性、抗化學(xué)腐蝕及優(yōu)良介電特性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn)，發(fā)展高性能3D打印聚酰亞胺墨水材料將在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛能。但聚酰亞胺難溶難熔等加工問(wèn)題一直是制約其應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸。因此，設(shè)計(jì)制備具有優(yōu)異溶解性能的可快速光固化聚酰亞胺樹(shù)脂是發(fā)展?jié)M足光固化3D打印墨水無(wú)溶劑等特殊要求的關(guān)鍵。

研究人員通過(guò)聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展了具有優(yōu)異溶解性能的可快速光固化聚酰亞胺樹(shù)脂及具有優(yōu)異耐高溫等綜合性能光固化3D打印聚酰亞胺墨水(Solvent Free and Photocurable Polyimide Inks for 3D Printing, J. Mater. Chem. A DOI: 10.1039/C7TA01952A)。該3D打印聚酰亞胺材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于200oC，在300oC烘箱處理或熱油浸泡后不發(fā)生斷裂和彎曲變形，仍保持較好的機(jī)械強(qiáng)度(圖1)，說(shuō)明其具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能，可在較高溫度下長(zhǎng)期使用。利用該樹(shù)脂材料打印制備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零部件和模型(圖2)，有望能夠在航空航天、汽車(chē)制造及微電子領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用，為3D打印先進(jìn)制造技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的高精度、高耐熱性、高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和機(jī)構(gòu)的直接快速成型制造提供了新的機(jī)遇。

該工作得到了中科院“西部之光”和蘭州化物所“特聘人才計(jì)劃”、甘肅省自然科學(xué)基金(1606RJZA051)和甘肅普銳特科技有限公司的支持。

圖1：DLP 3D打印聚酰亞胺濾油器網(wǎng)塞及300°C/3h高溫烘烤實(shí)驗(yàn)

圖2：DLP 3D打印聚酰亞胺耐高溫零部件(軸承、齒輪、變速箱蓋等)/模型及成型件表面形貌