3D 打印用聚乳酸材料研究

樊 聪，杨东辉，苏经纬，乔 伟，孟昭旭

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

3D 打印技术起源于20 世纪80 年代，最早被称为快速成型技术（RPM）。其基于CAD（计算机辅助设计）技术，通过逐层堆叠物料来制作3D 模型。在20 世纪90 年代，该技术开始商业化，并被应用于医疗和航空领域。随着时间的推移和各种材料的涌现，3D 打印技术也得到迅速发展，种类繁多（见表1），而且变得越来越高效和精确，同时成本也在不断降低。如今，3D 打印技术已成为各种制造行业的必备工具，广泛应用于工业制造、建筑工程、航空航天、国防军事、文化艺术、教育培训及生物医学等领域[1]。同时，它也应用于生物医学和航空航天等领域，为未来制造和技术创新带来了无限可能。其中，由于熔融沉积成型（FDM）技术打印设备价格低、操作简便、原材料利用率高和安全无毒等优点，成为应用最广泛的3D 打印技术[2]。

表1 常规3D 打印技术名称及工作原理

熔融沉积造型技术（FDM）是由Stratasys 公司主席CrumpS 在1988 年所发明的[3]。FDM 是一种常见且受欢迎的3D 打印技术。其打印原理如图1 所示，利用加热的金属喷嘴将丝状热塑性高分子材料熔化，然后通过压力作用从喷嘴挤出，按照计算机程序规定的路径逐层成型，从而实现所需的三维物体的制造[4]。目前基于FDM 3D 打印机的耗材主要有PLA（聚乳酸）、ABS、HIPS、PETGPE、PP、PVA（水溶）、TPU（柔性）、TPE（柔性）、木屑、碳纤维、尼龙、光变和渐变等。

图1 FDM 打印原理图

1 PLA 简介

聚乳酸（Polylactic acid，PLA），又被称为聚丙交酯，是一种由乳酸聚合而成的聚酯材料。聚乳酸具有卓越的生物可降解性、相容性和吸收性，因此成为3D 打印领域最受欢迎的材料之一。表2 列出了聚乳酸材料的物理力学性质。聚乳酸是一种无毒、无刺激的合成高分子材料，其原料主要来自淀粉（如玉米、大米）等经过发酵的产物，也可以使用纤维素、厨房垃圾或鱼体废料等资源作为原料。PLA 的原料来源广泛，而制成的产品在使用后可直接进行堆肥或焚烧处理，最终能够完全分解为CO2和H2O，对环境造成的影响极小，满足可持续发展的要求[5]。PLA 所拥有的良好透明性和一定的韧性、生物相容性及耐热等性能，是其被广泛应用的主要原因。

表2 聚乳酸的物理力学性质

PLA 不仅具有生物可降解性和相容性，还具备热塑性特性，使其在众多领域中得到广泛应用。通过使用PLA 制备的产品可以应用于多个领域，例如包装材料、纤维等。特别是在一次性用品领域，如一次性餐具和包装材料等，PLA 被广泛采用。此外，其还可以应用于汽车制造中的车门、脚垫和车座等部件，以及服装、电器和医疗卫生领域。

2 PLA 材料在3D 打印材料中的优缺点

2.1 PLA 材料在3D 打印材料中的优点

PLA 材料是可生物降解的[6]，可在自然环境中分解且不会对环境造成污染，因此，使用PLA 材料制作的3D 打印模型更加环保和健康。PLA 材料易于加工，为初学者和专业制造商的首选材料之一。同时，PLA 材料还具有出色的流动性和抗拉强度，材料熔化后容易附着和延展，可以在没有加热平台情况下打印大型模型而边角不容易翘起。PLA 材料在打印过程中具有较低的收缩率，这意味着即使在打印较大尺寸的模型时，也能表现出良好的性能。同时，工作温度较ABS 低，节省能源的同时打印模型更易塑形。PLA 材料具有较好的可塑性，可根据需要在3D 打印中进行形状和尺寸的调整。此外，PLA 还可以通过添加其他材料来改变其特性，例如可以添加金属粉末和木质颗粒等，以改善模型的质感和外观。

PLA 材料非常轻，3D 打印的模型重量更加轻盈，对于制造航空航天部件、汽车零件和其他需要轻质材料的产品非常实用。由于其轻量性，PLA 还可以在大型3D 打印项目中用作支撑材料。PLA 材料有着丰富的颜色选择。从透明和半透明到各种颜色的均匀和不均匀着色，都可以在3D 打印模型中使用，这使得制造精美的3D 打印模型成为可能。

PLA 材料不含有毒有害物质，在使用过程中不会产生有害气体或放射性物质，这使得PLA 材料在医疗和食品行业中得到广泛应用，可用于制造各种医疗设备和食品容器。PLA 材料在3D 打印材料中的最重要的一个优势是其低廉的成本。与其他3D 打印材料相比，PLA 的制造成本相对较低，这使其能够成为制造商和消费者的首选材料之一。

2.2 PLA 材料在3D 打印材料中的缺点

PLA 材料的热稳定性较差，在高温下易于软化和变形，这使得其在高温环境下的应用受到限制。在3D打印过程中，由于打印头和打印床需要保持一定的温度，因此，PLA 材料容易出现卡塞和变形等问题，这会影响打印质量和效率。PLA 材料的力学性能不够强韧。相比于其他3D 打印材料，如ABS 和尼龙，PLA 材料的韧性和耐冲击性较差[7]。在应用中，PLA 材料的制品容易断裂和变形，这使得其在需要强韧性能的应用中受到限制。

PLA 材料的水分吸收性较高[8]。PLA 材料对水分敏感，容易吸收周围环境中的水分，导致材料质量下降和打印效果不佳。这也意味着在使用PLA 材料时需要特别注意储存和处理。PLA 材料的降解速度受环境影响。虽然PLA 材料是可降解的，但其降解速度取决于环境因素，如温度、湿度和光照等。在一些应用中，如医疗器械和食品包装等，需要材料具有可控的降解速度和稳定性，因此，PLA 材料的降解特性可能会限制其应用范围。

综上所述，虽然PLA 材料在3D 打印应用中具有许多优点，但其热稳定性、力学性能、水分吸收性和降解速度等缺点是影响其广泛应用的重要因素，需要在以后深入研究改善。在选择3D 打印材料时，需要根据实际需求综合考虑各种因素，选择最适合的材料。

3 基于单轴压缩类煤岩试验研究

在类煤岩单轴压缩试验中，材料的物理性质对试验结果具有重要影响。PLA 3D 打印材料作为一种常见的材料，在有些情况下也被用于模拟煤岩试样，但其并不适合用于单轴压缩类煤岩试验，图2 为采用PLA材料打印的样品，这里将对其进行详细阐述。

图2 PLA 材料打印的试样

首先，PLA 3D 打印材料的强度和硬度不足以模拟煤岩的物理性质。煤岩是一种典型的脆性材料，其抗压强度和弹性模量等物理性质都具有特殊性质。相比之下，PLA 3D 打印材料的强度和硬度均较低[9]，无法真实模拟煤岩的物理特性。因此，在类煤岩单轴压缩试验中，使用PLA 3D 打印材料制作的试样可能会失真或产生偏差。

其次，PLA 3D 打印材料的变形行为与煤岩不同。煤岩在单轴压缩过程中会产生各种复杂的变形和破坏行为，例如裂纹扩展、剪切和压缩等。而PLA 3D 打印材料的变形行为相对简单，主要是由于材料的屈服和破坏。图3 为不同填充形状的PLA 打印材料在单轴压缩下的变形状态，这种行为与煤岩的变形行为截然不同，表现出明显的塑性，因此，使用PLA 3D 打印材料制作的试样无法真实模拟煤岩的变形和破坏行为。

图3 单轴压缩下不同填充形状的3D 打印件变形状况

此外，PLA 3D 打印材料的几何形状和制造工艺也会对试验结果产生影响。煤岩力学试验通常需要对试样进行精确地加工和控制，以确保试验结果的准确性和可靠性。而PLA 3D 打印材料由于受到3D 打印工艺和材料特性的限制，可能难以制造出符合试验要求的、形状复杂和精度要求较高的试样，导致试验结果失真或无法得到可靠的结果。

同时，除了材料本身的问题，PLA 3D 打印技术本身也存在一些限制，可能影响其在类煤岩单轴压缩试验中的应用。例如，PLA 3D 打印技术的制造精度和打印层厚度会影响试样的力学特性和强度[10]，因此，需要在试验前进行充分的测试和验证。此外，PLA 3D 打印材料的热稳定性和耐温性也需要得到充分考虑，以确保试样在试验过程中不会因为高温环境而发生变形或破坏。

综上所述，PLA 3D 打印材料并不适合用于类煤岩单轴压缩试验中。因此，在进行类煤岩单轴压缩试验时，应选择其他适合的材料来代替PLA 3D 打印材料进行试验。常见的替代材料包括ABS、PETG 和尼龙等。这些材料具有更高的强度、硬度和耐磨性，可以更好地模拟煤岩的物理力学特性，从而获得更准确的试验结果。此外，在选择材料时，还应考虑到试验需要的精度、形状和制造工艺等因素，以确保试验结果的可靠性和准确性。

4 PLA 在3D 打印材料中的应用

4.1 PLA 在制作模型和原型方面的应用

PLA 材料具有良好的流动性和成型性，因此，其非常适合用于制作模型和原型。PLA 可以在3D 打印机上打印出复杂的几何形状，并可以被染色和喷漆以增加其视觉吸引力。此外，PLA 在打印过程中不会产生异味和有害气体，且在制作模型和原型时，PLA 可以在室温下处理，不需要特殊的加热设备，因此，其是一种非常安全和可靠的3D 打印材料。

4.2 PLA 在医疗领域中的应用

由于PLA 是一种生物可降解材料，因此，其在医疗领域中具有广泛应用[11]。PLA 不仅可以用于制作各种医疗器械，例如手术器械、检测器具和医用耳塞等，而且可以用于制作各种植入物，例如骨接合器、心脏支架和牙科填充物等。还可以用于制作各种人工器官，例如人工骨髓、人工肝脏和人工耳蜗等。

PLA 的生物相容性和成型性使其成为制造各种人工器官的理想材料，而且避免了传统材料可能产生的副作用和并发症。

4.3 PLA 在食品包装领域中的应用

PLA 是一种食品级材料，因此，其可以用于制作食品包装[12]。PLA 具有良好的抗菌性和防潮性，可以保持食品的新鲜和卫生。PLA 可以用于制作食品包装袋，例如保鲜袋、咖啡袋和零食包装袋等。这些包装袋须具有良好的防潮性和抗菌性，可以保持食品的新鲜和卫生。还可以用于制作食品瓶子，例如瓶装水和瓶装果汁等。这些瓶子具有良好的防漏性和耐冲击性，可以保护食品不受污染和损坏。

4.4 PLA 在环保领域中的应用

PLA 是一种可降解材料，可以被自然环境分解。因此，PLA 在环保领域中具有广泛的应用[13]。PLA 可以取代传统塑料，降低对环境的污染。PLA 可以用于制作各种一次性产品，例如餐具、杯子和袋子等。这些产品可以在使用后被自然降解，从而减少对环境的污染。也可以用于制作垃圾袋，这些垃圾袋可以降解并且不会产生有害物质。这有助于减少塑料垃圾对环境造成的危害。还可以用于制作各种农业用品，例如农膜和育苗盘等。这些产品可以在使用后被自然降解，从而减少对土壤和环境的污染。

综上所述，PLA 在3D 打印材料、医疗、食品包装和环保等领域中都具有广泛的应用前景。作为一种可降解材料，PLA 可以有效地减少对环境的污染，同时具有良好的成型性和机械性能，使其成为制造各种产品的理想材料。随着人们对环保和健康的关注日益增加，PLA 在未来将会得到更加广泛的应用。此外，PLA 还可以与其他材料进行复合，以改善其性能[14]。例如，将PLA 与木材粉末复合可以制作出一种名为木塑复合材料的产品，其具有木材的质感和PLA 的可降解性。这种材料可以用于制作家具、地板、围栏等产品。

值得注意的是，PLA 虽然具有可降解性，但其降解需要一定的时间和条件。在常温下，PLA 降解的速度相对较慢，需要数年至数十年的时间才能完全分解。因此，使用PLA 制造的产品仍需在使用后妥善处理，避免对环境造成污染。

5 结论

PLA 3D 打印材料在单轴压缩下表现出明显的塑性，与煤岩的变形特征差别较大，故PLA 不适合用于单轴压缩类煤岩试验。尽管PLA 存在一些缺点，但其仍然是最受欢迎的3D 打印材料之一，在3D 打印、生物医学、环保等领域具有广泛的应用前景。研究PLA的性能和应用，可以促进其在各个领域的应用，推动3D 打印技术的发展和应用。同时，PLA 作为一种环保、生物可降解的材料，可以减少对环境的污染，具有重要的环保意义。因此，PLA 的研究领域具有重要的科研和社会意义。