3D打印材料是3D打印技术发展和应用的关键因素，塑料材料是3D打印材料中应用最广泛的材料之一，用于3D打印的塑料材料包含几百种。塑料材料的性能、成本等因素不仅会影响3D打印工艺、成品效果，也会影响3D打印塑料成品的应用领域[1-2]。目前，国内外关于3D打印塑料材料开展诸多研究，其中柔性塑料材料作为一种新型塑料材料备受关注。陈庆等[3]指出3D打印技术的优势为逐层堆积的加工方式，能够实现柔性塑料产品的批量化生产，满足柔性塑料材料逐年递增的应用趋势。Hadengganan等[4]对柔性塑料材料的3D打印最佳参数进行研究，为生产加工提供数据参考。袁烽等[5]对3D打印柔性塑料材料的应用前景进行综述，认为其在特殊领域，如医学领域、特殊工业场景的应用潜力较大。本研究以3D打印柔性塑料为研究对象，介绍柔性塑料的定义、种类及其优缺点，并基于国内外最新研究成果，综述柔性聚乳酸塑料、柔性聚氨酯塑料、柔性聚酰胺塑料及其他柔性塑料在3D打印中的应用现状，为我国3D打印塑料材料研究提供理论参考。1柔性塑料概述1.1柔性塑料的定义柔性塑料材料是指能够在一定的范围内发生弯曲、扭转、折叠等形变而不影响其性能的塑料材料[6]。柔性塑料的高分子链结构决定塑料材料的柔性强弱，分子主链不含侧基或者侧基体积较小的塑料具有更强的柔性。柔性塑料的柔性性能通过弯曲模量表示，柔性塑料的柔性越好越容易在外力作用下发生弯曲、扭转等形变。1.2柔性塑料的种类及优缺点常见的柔性塑料材料包括柔性聚乳酸材料、柔性聚酰胺材料、柔性聚氨酯材料、柔性丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)材料、柔性聚氯乙烯(PVC)材料和柔性聚碳酸酯(PC)材料[7-8]。柔性ABS塑料材料是目前运用较广泛的柔性塑料材料之一，因其具有良好的韧性、低温抗冲击性和耐热性能，在机械工业和电器软性元件应用较广泛。柔性聚乳酸材料产量相对较小，但具有环保性、可生物降解性能、良好的防潮性和耐油脂性等特点，在医药领域应用广泛。柔性聚酰胺材料具有良好的力学性能、耐化学性能和耐热性能。柔性塑料材料具有独特的柔性性能，不易出现断裂、回丝、成品坚硬、弯折等问题，在医药行业、工业机器人、特殊工业等具有广泛的应用[9-10]。但由于柔性塑料材料的力学性能较差、加工难度较大、固化成型困难，对其生产加工方法具有较高要求[11-12]。3D打印技术一定程度上能够克服柔性材料生产加工的困难，3D打印技术将塑料加工流程经过数字化转化，并利用计算机对打印过程设计加工指令，将复杂的三维模型转化为逐层堆积的二维打印过程，有效降低柔性塑料的打印难度，但3D打印技术主要用于硬度较高的塑料，为提升柔性塑料的打印效果，需要探究利用3D打印方法加工柔性塑料的应用。23D打印方法在柔性塑料加工的应用研究2.13D打印方法在柔性聚乳酸塑料加工的应用柔性聚乳酸材料具有良好的可生物降解性、热稳定性、生物相容性，且加工温度在170~230 ℃之间[13-15]。柔性聚乳酸塑料材料的耐热性、力学性能相对较差，常利用共聚反应、接枝改性等化学改性方法提升其耐热性能和力学性能。周意诚等[16]通过聚碳酸丁二醇(PBC)改性柔性聚乳酸材料，通过3D熔融沉积成型(FDM)打印方法加工。结果表明：改性后柔性聚乳酸塑料的抗冲击强度提升17.8%，且最佳的3D打印喷头温度为115 ℃，打印速度为65 mm/s，回抽速度为20 mm/s。杨露等[17]对3D打印前后柔性聚乳酸表面形貌、分子结构、结晶度和热性能进行测定和比较分析。结果表明：FDM型3D打印的柔性聚乳酸材料表面更平滑，粗糙度下降；分子结构没有明显变化；结晶度和取向度增加，最佳的打印温度应控制在168~210 ℃之间，证明FDM型3D打印方法在柔性聚乳酸塑料生产加工方面应用良好。柔性聚乳酸塑料具有良好的生物相容性，能够应用于医药领域，但由于人体器官、组织结构相对复杂，传统的加工工艺难以满足应用需求，可以利用3D打印的方式解决加工的困难。Lichtenstein等[18]对3D打印柔性聚乳酸塑料在医学领域的应用现状进行研究，以人体眼眶为例。结果表明：3D打印柔性聚乳酸塑料表面光滑、平整，打印精度可以控制在0.1 mm以内，通过医学模拟实验，没有出现生物不相容的现象。最佳的打印速度为25 mm/s，打印温度为180 ℃。柔性聚乳酸材料经过FDM型3D打印，能够适用于不同位置、不同组织器官的医疗材料。欧攀等[19]对柔性聚乳酸塑料的3D打印参数进行研究，并提出双喷头打印的方法优化打印过程。结果表明：采用双喷头3D打印方法打印的柔性聚乳酸塑料最大误差为0.18 mm，最小误差为0.04 mm，该3D打印技术为柔性塑料材料固化成型提供参考。雷芳等[20]对柔性聚乳酸塑料的FDM型3D打印参数进行研究，采用双喷头打印机进行送料，并将喷嘴由直径0.4 mm减小至0.2 mm。结果表明：该3D打印机对柔性聚乳酸塑料的打印成功率由68.9%提升至94.7%，且多次实验结果验证，该3D打印方法能够保证打印不喷丝、不卡丝，有效提升打印质量。展宗瑞等[21]以柔性聚乳酸塑料为研究对象，利用3D打印技术将其制成生活日用品、工艺摆件，并对柔性聚乳酸塑料的表面性能和力学性能进行测试。结果表明：3D打印的柔性聚乳酸塑料表面光滑，上色简单，且不易发生变形，固化成型较好。田小永等[22]以石墨烯/柔性聚乳酸塑料复合材料为研究对象，研究其3D打印参数及其在传感器中应用。结果表明：石墨烯/柔性聚乳酸塑料复合材料具有轻质、柔性化较好等特征；且打印层厚度为0.15 mm时，复合材料打印稳定性良好，且制件性能良好，运用于传感器中能够实现对自传感结构变形监测。2.23D打印方法在柔性聚氨酯塑料加工的应用柔性聚氨酯材料具有良好的物理性能和力学性能，在柔性聚氨酯塑料中增加导电材料可以制备复合导电材料，常用FDM型3D打印技术加工复合导电柔性聚氨酯材料[23-24]。李前进等[11]对柔性聚氨酯复合塑料材料在电子皮肤领域的应用情况进行研究。为提高导电性，在多壁碳纳米管(MWNT)/聚氨酯(TPU)复合材料体系中加入膨胀石墨(EG)。结果表明：EG和MWNT的协同导电作用有效提高打印耗材导电性能，当添加MWNT质量分数为10%、EG为15%，复合材料的体积电阻率约为0.23 Ω·cm。3D打印技术在柔性材料中具有良好的应用潜力，能够制造柔性铰、垫圈等非标准机械部件，也能够打印气囊等密闭结构部件。但由于柔性材料的摩擦力较小，不粘连现象会增加3D打印的加工难度[25-26]。郎增科等[27]对3D打印柔性聚氨酯塑料外壳的性能进行测定，并通过调整加工参数避免柔性聚氨酯3D打印中出现不粘连现象。结果表明：柔性聚氨酯的表面与3D打印喷头之间接触不良会导致不粘连现象。响应面分析法得出最佳的加工参数为：3D打印喷头温度为195 ℃，顶部温度设定为205 ℃，散热风扇功率为100%。3D打印过程中增加对柔性聚氨酯的支撑和后加工，能够有效提升柔性聚氨酯的3D打印效果。柔性聚氨酯塑料具有较好的柔韧性，通过3D打印的方法将柔性聚氨酯塑料加工为网状物，具有良好的弹性支撑，例如柔性聚氨酯网状物能模拟人体的肌肉和肌腱等柔软组织，在医学辅助器材中具有良好的应用。李仲明等[28]对3D打印方法在柔性聚氨酯网状物的应用进行研究，采用FDM型3D打印方法对柔性聚氨酯加热后逐层打印，并测试打印后柔性聚氨酯网状物的力学性能。结果表明：3D打印柔性聚氨酯网状物力学性能良好，能够实现对踝关节的支撑，且不同方向受力对网状物刚度影响较小。30 N的受力下，柔性聚氨酯能够为运动员提供5%左右的支撑。高国华等[29]采用三维建模软件对柔性臂外壳进行模型设计，并采用3D打印方法将柔性聚氨酯材料加工为柔性壁塑料外壳。结果表明：当3D打印的喷头温度设定为250 ℃，打印速度为60 mm/s，散热风扇满功率运行，柔性聚氨酯外壳不易发生不粘连现象，塑料外壳不易发生撕裂，具有良好的弯曲性能和伸缩性能。2.33D打印方法在柔性聚酰胺塑料加工的应用张媛媛等[30]基于柔性聚酰胺塑料在3D打印的应用情况进行分析，采用有限元仿真对3D打印技术的最佳参数进行模拟，并进行真实测验。结果表明：填充密度设为100%，3D打印喷头温度为230 ℃，环境温度为23 ℃时，具有最佳的打印效果。以FDM型3D打印的柔性聚酰胺塑料不易发生变形，固化成型较好，最大的拉伸强度为248 N，力学性能良好。柔性聚酰胺塑料经过3D打印后可在全软体机器人、柔性机械臂、机械手等方面具有良好的应用前景。王晓等[31]指出柔性聚酰胺塑料在打印过程中可能会因为送丝的力过大而出现柔性塑料弯折、回抽或者断裂的情况，影响打印效果。以柔性聚酰胺塑料在FDM型3D打印参数设计为研究对象，研究打印温度、打印速度、回抽速度、层厚等最佳工艺参数。结果表明：3D打印喷头温度为235 ℃，打印速度为65 mm/s，回抽速度为20 mm/s，层厚为0.15 mm时，柔性聚酰胺塑料打印稳定性良好，且制件性能良好。唐鹿[32]通过总结国内外聚酰胺塑料材料在3D打印中应用研究现状，指出当前柔性聚酰胺塑料能够解决金属、陶瓷等材料在3D打印中容易出现变脆、形变等问题。柔性聚酰胺制成1.7 mm细丝，3D打印喷头温度为260 ℃，能够制成表面性能良好的工业部件。王丽娟[33]采用扫描电镜，利用拉伸、压缩性能测试对3D柔性聚酰胺塑料打印制品进行力学性能评估。结果表明：FDM型3D打印方法的柔性聚酰胺塑料的断裂强度为10.56 MPa，拉伸应变为1.32%，压缩应变为0.62%。朱红芳等[34]以柔性聚酰胺塑料为原材料，通过热酰亚胺化改性柔性聚酰胺塑料的固化成型性能，并采用FDM、光固化成型(SLA)两种3D打印技术对改性后柔性聚酰胺的力学性能、耐热性能和热机械性能进行探究。结果表明：FDM型相比于SLA型3D打印技术更具有优势，在FDM型3D打印下，改性柔性聚酰胺塑料的收缩率只有6%，但力学性能提升18.7%，耐热性能提升19.6%，热机械性能提升12.3%。聂建华等[35]以柔性聚酰胺塑料为原材料，并与聚乙烯醇进行复合反应增强柔性聚酰胺的黏结性，以去离子水为3D打印的黏结溶液，探究最佳的改性参数。结果表明：当柔性聚酰胺塑料质量分数为70%~80%，聚乙烯醇的质量分数占20%~30%时，复合材料表面张力明显增强，3D打印塑料制品的弯曲强度能达到0.8~1.8 MPa，可以满足3D打印材料要求。2.43D打印方法在其他柔性塑料加工的应用江泽佩[36]采用FDM型3D打印方法将柔性聚乙烯塑料加工为柔性管道，并对3D打印参数进行研究。结果表明：最佳的加工参数为3D打印喷嘴温度为135 ℃，工作面板温度为50 ℃，填充速度为60 mm/s，打印柔性聚乙烯管道顶破强力为150 N，最大使用压力为2.5 MPa，拉伸强度为98 N。该柔性管道能够应用于复杂建筑物的结构，且减少管道之间的连接接头，减少管道连接时间，能够较好满足柔性管道使用要求。张晓琪等[37]采用双喷头快速3D打印方法，打印柔性PVC塑料材料，测定打印PVC成品的力学性能、打印精度。结果表明：3D打印柔性PVC，精度控制在0.1~1.6 mm之间，且0.6 mm左右柔性PVC具有更好的弹性，不易发生弯折。乔雯钰等[38]以柔性ABS塑料为3D打印材料，并采用碳酸钙作为改性材料提升柔性ABS塑料的力学性能。探究FDM型3D打印的柔性ABS塑料成品力学性能及收缩率。结果表明：经过碳酸钙改性的柔性ABS最大拉伸性能提升17.9%，且碳酸钙含量越高，柔性ABS塑料的收缩率逐渐降低，柔性ABS塑料在3D打印中最佳的打印速度为50 mm/s。3结论3D打印方法中柔性塑料具有不易弯折、断裂、回丝等优势，且具有弹性性能，适用于特殊、复杂的应用场景。尽管关于柔性塑料在3D打印方法中应用研究较多，主要集中于柔性材料的性能测试、改性研究和应用等方面，对柔性塑料材料种类的研究相对较少，应用范围探索也不够广泛，尤其是3D打印方法、工艺上的研究相对偏少。未来，需要发挥3D打印方法在柔性塑料加工的优势，加强柔性塑料材料、3D打印工艺以及应用范围的研究。