译文：3D打印和增材制造专用聚合物

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3D打印和增材制造专用聚合物

摘要：增材制造（AM）又名3D打印：就是将计算机辅助设计（CAD）的虚拟

3D模型转换为物理对象。通过CAD数字切片，3D扫描或层析成像数据，AM可以逐层构建对象，而不需要模具或机械加工。通过利用互联网上的数字信息存储和检索，AM可以根据需要分散制造定制的对象。从快速成型到快速制造的持续转变，促使机械工程师和材料科学家们面临新的挑战。由于聚合物是迄今为止AM最广泛使用的一类材料，本综述着重关注聚合物加工、聚合物发展和专门为AM开发的先进聚合物体系。AM技术覆盖包括大容积光固化（立体光刻）、粉末床熔融（SLS）、材料和粘合剂喷射（喷墨和气溶胶3D打印）、薄片层压（LOM）、挤出（FDM，3D分配，3D纤维沉积和3D绘图）和3D生物打印。AM中所使用聚合物的范围包括热塑性塑料、热固性材料、弹性体、水凝胶、功能聚合物、聚合物共混物、复合材料和生物系统。聚合物设计，添加剂和加工参数的方面涉及加快构建速度和提高精度、功能、表面光洁度、稳定性、机械性能和孔隙度。所选的应用展示了如何在轻量化工程、建筑、食品加工、光学、能源技术、牙科、药物传递和个性化医学中开发基于聚合物的AM。不同于金属和陶瓷，基于聚合物的AM在新兴AM（先进的多功能和多材料系统）中起着关键作用，包括有生命的生物系统和类似生命的合成系统。

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介绍B

1.1.科技影响C 1.2.经济影响

1.3.3D打印和定制增材制造的工艺和材料开发中的挑战E 1.3.1.建立速度E 1.3.2.机械性能 1.3.3.分辨率F 1.3.4.多材料部件

1.3.5.生物相容性和医疗应用的其他担忧F 2.大容量光聚合F 2.1.技术F 2.1.1.立体光刻F 2.1.2.数码光处理G

2.1.3.连续液体界面生产（CLIP）G 2.1.4.多光子聚合H 2.2.AM过程的抗光致蚀剂J 2.2.1.背景 2.2.2.自由基系统 2.2.3.阳离子系统

2.2.4.混合（双固化）配方P 2.2.5.双光子发射器

2.2.6.稳定剂，光吸收剂和其他添加剂R 2.2.7.可溶性模具材料S 2.2.8.陶瓷和复合材料 3.粉层融合工艺

3.1.选择性激光烧结（3D系统）/激光烧结（EOS）U 3.1.1.介绍

3.1.2.（选择性）激光烧结材料的要求W 3.1.3.SLS加工聚合物粉末的制备X

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3.1.4.（选择性）激光烧结材料Z 4.材料和粘合剂喷射AD 4.1.喷墨印刷油墨 4.1.1.热喷墨打印AD

4.1.2.基于喷墨的平版印刷（PolyJet Process）AD 4.1.3.喷墨打印用聚合材料AE 4.2.气溶胶喷射打印AE 4.2.1.气溶胶喷射印刷工艺AE 4.2.2.材料与应用AF

4.3.3D粉末粘合技术有限公司 4.3.1.粉末结合工艺 4.3.2.材料与应用

5.层压和层压对象制造（LOM）AI 3D材料挤出AJ

6.1.熔融沉积建模（FDM）AJ 6.1.1. FDM AK裁缝材料

6.2.3D点胶（3D绘图，3D微挤压和3D纤维沉积）AK 6.2.1.过程AK 6.2.2.材料与系统AM 7.4D打印AM

8.增材制造的选定应用AN 8.1.工业添加剂制造AN

8.2.医学建模，假肢和数字牙科AO 8.3.再生医学与组织工程AP 8.3.1.基本概念和材料选择AP 8.3.2。实心多孔组织支架由AM AP 8.3.3。图案水凝胶与AM AS 8.4.3D Bioprinting和Bioinks AU 8.5.药物输送AV

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8.6.食品添加剂制造 8.6.1.历史发展与主要动机 8.6.2. AM技术用于加工食品AX 8.6.3.食品AY的材料

8.6.4.食品AM的应用：产品概念AY 8.7.光学应用AZ

8.8.添加剂制造与能源BA 8.9.艺术，时尚，建筑BB 8.9.1.功能艺术BB 8.9.2.多色印刷BC 8.9.3.时尚BC 8.9.4.建筑业BD 9.结论BD 相关内容BE 特刊 作者信息BE 通讯作者 ORCID BE 注释BE 传记BE 致谢BF 缩写BF 参考文献BG

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2. 大容积光聚合（光固化）

2.1.技术

2.1.1.立体光刻：在20世纪80年代初，Kodama描述了通过用掩模或用X-Y绘

图仪操纵的光纤选择性曝光光聚合物来建立固体的方法。大约在同一时间，赫伯特提出了类似的方法，使用绘图仪来引导激光束和升降台控制z方向。1984年，两项独立专利（法国由Andréetal，另一名在美国由Chuck Hull）提交，描述了逐层平版打印制作的固体。虽然法国专利为了商业原因而放弃，但Hull的专利都创造了“立体光刻”（SLA）这一术语，并为这种技术和商业增材制造奠定了基础。

图6展示了SLA仪器的主要部件以及它们如何配合在一起以实现逐层制造。 在20世纪80年代后期，SLA仪器首先在Hull的3D系统中首次在美国市场上销售，并且不久之后在日本被CMET公司使用。在SLA系统中，相干光源（通常是在UV范围内发射的激光）用于诱导聚合物的聚合与初始液态树脂的交联。SLA的一个主要优点是由聚焦激光束的光斑尺寸提供的高空间分辨率。利用SLA，通过激光束扫描感光材料表面，使其有序地进行曝光。因此，制造一片结构所需的时间取决于激光束扫描的速度和照射区域。激光束的横向位置通常由电动扫描器内的一对反射镜控制。与大多数其他AM技术一样，该过程以逐层方式执行。切片信息以一组坐标的形式呈现，限定了两个反射镜的倾斜角度，其引导激光束沿平面的位置。理论上，根据层面上每个像素得到循序照射的实际情况，可以通过控制激光强度来分别调整每个像素的曝光剂量。这使SLA能够处理灰度级图案。垂直分辨率取决于光的穿透深度，这可以通过向光聚合物树脂中加入合适的吸收剂来控制。固化深度还取决于曝光剂量（光照强度和光照时间），这可能是实际中不使用SLA的灰度级能力的主要原因。值得注意的是，SLA主要耗时的步骤不是激光扫描本身，而是新层沉积的感光材料。这里，材料的粘度起着重要的作用。 必须使用非反应性添加剂或溶剂来降低光聚合物树脂的粘度。

传统SLA的扩展由微立体光刻技术提供，对于制造大物体来说太慢，但提供的横向分辨率通常在几微米的范围内。

2.1.2.数字光处理：数字光处理（DLP）类似于SLA，因为两种技术都利用光，

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