塑料材料是3D打印技术运用的基础，塑料材料的性能直接影响3D打印技术成品的质量和功能。目前，3D打印的塑料材料已经多达100多种，但相比于其他制造行业，塑料材料的种类明显偏少[1]。用于3D打印的塑料材料主要包括高分子材料、塑性塑料、树脂材料等。但传统的塑料材料熔融性能较差，容易堵塞3D打印喷头，流动性较差，加工效率低，难以满足3D打印的需求[2-3]。因此，改性传统塑料材料或者研发新材料，以解决3D打印技术中塑料材料问题成为研究热点。目前国内外学者、技术型企业研发多种具有高强度、低成本、可循环使用的新型塑料材料[4]，如新型工程塑料、新型高分子塑料、新型生物塑料等。本研究基于3D打印技术的基本原理及其对塑料材料的性能要求，总结目前国内外新型塑料材料在3D打印技术的应用情况，并提出当前研究存在的不足和未来的重点方向，为开发新型3D打印塑料材料提供参考。13D打印技术概述1.1技术原理3D打印技术是一项跨学科、应用场景广泛的新兴技术，其生产加工过程结合计算机技术、机械工程技术、三维模型技术、激光技术等先进技术，具有生产成本低廉、原材料浪费少、生产效率高、节能环保、精度高等优势[5-6]。3D打印技术的基本原理是通过建立三维数据模型，将产品的尺寸、形状、结构等参数进行数字化转化，并利用计算机编程软件将数字化模型生成设备加工指令，驱动机器按照标准进行加工，将复杂模型进行二维处理，通过逐层堆积材料实现三维实体制造，进而实现批量制造[7-8]。3D打印技术分为3D喷印技术、光固化成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、增强材料技术、数控建模技术等几类。1.2对塑料的基本要求3D打印技术对塑料材料的性能和适用性提出较高的要求，不同类型的3D打印技术对塑料材料的性能要求不同[9]。表1为不同3D打印技术对塑料材料的性能要求。从表1可以看出，3D打印技术对塑料的流动性、形态以及性能提出要求，新型塑料需要强化这些方面，以满足生产加工的需要。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.024.T001表1不同类型的3D打印技术对塑料材料的要求Tab.1Requirements of different types of 3D printing technologies on plastic materials技术类型技术依据塑料材料要求3D喷印技术基于电流体动力学理论，将液态的材料通过喷头喷出，进而形成三维模型液态，具有良好的流动性光固化成型技术通过紫外光扫描液态光敏树脂使其固化，形成要求的形状液态，在紫外光条件下发生聚合反应［10］熔融沉积成型技术程序的控制下，将熔融状态的丝状或粒状塑料材料冷切成型，实现3D打印能够进行加热融化激光烧结技术对粉末态的塑料材料，按照计算机控制进行加热烧结［11-12］粉末态2新型塑料材料在3D打印领域的应用2.1新型工程塑料在3D打印领域应用较多的新型工程塑料主要包括聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)及其改性材料。这些新型工程塑料具有较好的力学强度、耐热性能和耐腐蚀性能，在医学、机械制造、航天航空等领域应用较广泛[13-14]。沈睿等[15]对3D打印工程塑料在汽车配件设计领域的应用情况进行概述，指出ABS塑料不易发生变形和腐蚀，耐热性能较好，经过加工制成丝状和粉末形态，运用于3D打印汽车配件。但ABS塑料在高温时流变性会变差，可以通过添加流动性较强的材料进行改性，如滑石粉、云母粉等。另外，通过添加玻璃纤维增强材料，能够提升ABS的刚性。戴京[16]研究特种工程塑料在3D打印技术的应用。指出目前特种工程塑料具有较好的性能，但无法适应常规的3D打印机，限制其使用范围。研发一种新型3D打印方式，能够对热塑性聚氨酯弹性体(TPU)柔性工程塑料和PEEK工程塑料进行打印，并对最佳的打印参数进行调试。结果得出：3D打印过程中增加PTC加热和热辐射灯能够提升工程塑料的熔融速度，避免打印过程中出现出丝不流畅的问题；且工程塑料的进料速度越慢，3D打印的成品填充率越高。此研究为特种工程塑料在3D打印领域的应用提供技术和工艺参考，有利于推动工程塑料在3D打印的产业化运用。李振[17]基于3D打印技术和熔融沉积成型(FDM)技术，探究对聚碳酸酯/ABS进行熔体流动改性和增韧改性，以制备流动性能和力学性能良好的新型工程塑料。结果得出：聚己内酯对聚碳酸酯的流动性能改性效果更好，且最佳的改性比例为5∶1，经过改性后的聚碳酸酯/ABS新型工程塑料制成丝线进行3D打印，打印制品的拉伸强度在50 MPa，冲击强度高达20 kJ/m2左右。林海英等[18]对3D打印工程塑料的力学性能进行研究，选择增强改性后的ABS塑料为研究对象，采用FDM法进行3D打印，生成狗骨头3D件，并对该件进行拉伸试验。结果得出：该3D构件的最大拉伸应力23.4 MPa。对改性后的ABS塑料3D打印丝线的直径与力学性能的关系进行研究，结果得出：纤维直径较小的试件失效应变力越小，但当纤维的直径超过0.3 mm时，位移应变力最大。陈硕平等[19]利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段聚合物，改性ABS塑料提升塑料的尺寸稳定性和力学性能。结果得出：适当的增加聚合物含量能够增加ABS的尺寸稳定性和力学性能，当聚合物的添加量在10%左右时，改性后的ABS塑料经过3D熔融沉积打印不会出现明显的翘曲变形，且力学性能有所提升。闵玉勤等[20]对ABS的改性剂和增稠剂进行研究。结果得出：苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物能够提升ABS熔体的流动性，且不影响ABS原本的力学性能，有利于提升3D打印的效率，增强ABS韧性，避免出现断裂、变形等瑕疵。2.2新型高分子塑料高分子粉末、高分子丝材等是3D打印领域广泛应用的增材，特别是聚己内酯(PCL)及其改性材料为主的新型高分子塑料，加工性能优异、可打印性能良好，在工业生产和民用领域应用广泛[21-24]。胡超然等[25]对3D打印技术中的PCL/纳米羟基磷灰石复合材料进行研究。PCL具有良好的力学性能和降解性，但直接将PCL材料运用于骨骼中，还存在孔隙率和力学性能不满足应用的问题。测定PCL/纳米羟基磷灰石复合材料孔隙率为(51.23±1.82)%，弹性模量为(58.02±2.49) MPa，该新型复合高分子材料运用于3D打印领域的骨组织支架具有较好的潜力。向声燚等[26]对3D打印的PCL进行改性，使用纳米羟基磷灰石进行熔融共混，并采用熔体微分3D打印机打印共混后的新材料。结果得出：当纳米羟基磷灰石含量为20%时，3D打印试样的拉伸强度和弯曲强度均达到最大值，分别为23.3 MPa和21.4 MPa，说明该新型高分子材料能制造出力学性能较好的3D打印制品。张朝刚[27]综述当前国内外通过物理和化学方法制备改性PCL的方法，将新型PCL高分子材料在3D打印的应用情况进行论述，指出应用于3D打印技术中，要进一步提升PCL材料的力学性能、亲水性等性能。韩永杰等[28]采用PCL材料进行熔融沉积法3D打印制备细胞支架，设置参数为无孔径、孔隙率为82%以及孔隙率为84.5%的三种PCL支架，并运用于骨损伤修复领域。结果得出：PCL材料的细胞支架表面光滑，且没有生物毒性，孔隙率越大的细胞支架具有更强的细胞增值率，该研究表明PCL材料经过3D打印后可以运用于医药领域。2.3新型生物塑料常见的3D打印新型生物塑料主要指通过生物材料与热塑性塑料共混制备的新型塑料，其中常见的生物材料包含纤维素和木质素。制备的新型生物塑料具有良好的生物可降解性和生物相容性，满足环保安全要求。利用3D打印技术的优势，可以在医药行业得到广泛的应用，如人造骨、心脏支架等[29-31]。刘俊等[32]对3D打印技术中的生物塑料应用情况进行研究，指出将木质纤维素和热塑性塑料进行共混复合形成的生物塑料制成细丝可以用于熔融沉积3D打印。文中以木材、竹子等生物质材料通过磨粉后与热塑性塑料PLA混合制成细丝，但直接共混容易出现混合不均匀的问题，造成3D打印后形成的塑料产品出现表面缺陷。因此，可通过优化共混工艺、对纤维素进行改性，提升生物塑料的加工性能和力学性能。Duigou等[33]采用木质纤维素增强的PP生物塑料制成复合颗粒，并挤出成型进行3D打印。结果得出：当生物塑料中的木质纤维素占比由15%提升至50%以后，材料的力学性能明显提升，在3D打印过程中不容易出现堵塞、断裂的情况。Pandey[34]对不同的PP、聚苯乙烯(PS)、低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)热塑性塑料与纤维素共混复合形成的生物塑料的性能进行比较。结果得出：纤维素含量为40%，热塑性塑料为HDPE时，材料的力学性能最佳，制成3D打印的共混细丝后剪切性能得到明显提升，且力学强度可控。Matsuzaki等[35]将黄麻纤维和热塑性塑料PLA制成共混性生物塑料，并应用于3D打印。将黄麻纤维与熔融状态的PLA塑料在3D打印的喷嘴内进行浸渍反应，通过喷嘴形成纤维增强的生物塑料。结果得出：该生物塑料能够进行流畅地打印，且具有较好的切力变稀效应，打印的塑料产品表面缺陷较少。Gkartzou等[36]采用木质素对热塑性塑料PLA进行改性，并对木质素的添加比例与复合生物塑料的性能关系进行研究。结果得出：适当的增加木质素能够显著提升PLA的力学性能，但当木质素的含量超过5%以后，会导致颗粒聚集，生物塑料的相容性降低，运用于3D打印材料容易出现拉伸强度降低的问题。进一步对木质素和PLA复合的生物塑料进行改性，结果得出：适当增加塑化剂和增容剂使得生物塑料的延展性能提升6%~23%。杨道朋等[37]对3D打印的生物塑料应用情况进行综述，指出3D打印的生物塑料具有来源广泛、成本低廉、合成种类多样等优势，在复合材料制造、汽车装饰和生物医药等领域具有广泛的应用前景。但目前木质纤维素与塑料共混形成的新型生物塑料，通过3D熔融挤出打印技术容易出现外观粗糙，结构变形的问题，未来应当进一步优化表面及微观结构。Dragone等[38]利用3D打印技术进行生物制药设备的生产，选择PP材料为原料，利用苯甲醛和苯胺类衍生物合成N-苄叉苯胺类化合物形成生物塑料，进行3D打印。该生物制药设备最高效率能够实现94%的生物制药合成转化。该研究说明：在3D打印技术及生物塑料的推动下，能够为传统制药行业带来技术优化。刘凌霄[39]研究在马来酸酐接枝聚乳酸(PLA-g-MAH)偶联剂的作用下，探究木质素、松木粉、植物纤维、报纸浆纤维等原材料对PLA复合生物塑料的性能影响。结果得出：木质素的质量分数为15%时，PLA生物塑料性能最好。在3D打印中，PLA生物塑料的填充率对材料性能影响最大，最佳的打印参数为填充率80%，打印温度200 ℃，厚度为0.3 mm。3结论3D打印技术选用的打印材料不再局限于金属材料、陶瓷材料，工程塑料、高分子聚合物材料、生物塑料等新型塑料在3D打印技术领域具有更广泛的应用。但目前关于新型塑料材料的种类研究相对较少，3D打印的塑料材料的许多研究仍停留在材料性能测试阶段，距离塑料成品的工业应用存在一定差距。随着未来研究的进一步深入，新材料、新工艺、新设备将不断涌现，应当进一步加强新型塑料材料在3D打印工业领域中的应用研究，对打印成品的性能进行测定，加强绿色环保、可生物降解新型塑料材料的研究，推动3D打印技术进一步发展成熟。