覃楊華

摘 要：3D打印技術(shù)是一種先進(jìn)的快速成型制造技術(shù)，在近些年得到各個(gè)行業(yè)的大量關(guān)注與重視?；趪?guó)內(nèi)外與3D打印技術(shù)相關(guān)的研究與應(yīng)用，對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行介紹，了解3D打印技術(shù)所應(yīng)用的材料，對(duì)比農(nóng)作物秸稈和其他材料的優(yōu)缺點(diǎn)，提出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；秸稈材料；3D打印

中圖分類號(hào)：X503.231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170532081

前言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)制造技術(shù)已難以滿足人們使用需求，因此，尋找一種新的制造方法十分迫切，3D打印技術(shù)便在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)由于3D打印技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，在各大主流媒體頻繁出現(xiàn)，成為當(dāng)下與未來(lái)發(fā)展的新星。但因打印材料的緊缺與制備困難，打印成本昂貴，對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展和深入市場(chǎng)化帶來(lái)一定的制約。農(nóng)作物秸稈作為一種可再生資源，應(yīng)用在3D打印技術(shù)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 3D打印技術(shù)的概述

3D打印技術(shù)源自20世紀(jì)90年代，是一種快速成型制造技術(shù)，因其制造特點(diǎn)獨(dú)特，又稱“增材制造技術(shù)”，工作原理為層層堆疊與逐層打印，是一種跨學(xué)科的交叉技術(shù)。3D打印技術(shù)是基于傳統(tǒng)二維打印技術(shù)基礎(chǔ)上的大膽創(chuàng)新，把二維打印延伸至三維領(lǐng)域，把噴墨式打印的平面圖案、文字等通過(guò)原材料逐層堆疊而成的三維立體實(shí)物，不但拓展出非主流化設(shè)計(jì)潮流，還彰顯出新時(shí)代個(gè)性化創(chuàng)新活力與創(chuàng)造潛力。

3D打印技術(shù)所需的成本較高，不僅因?yàn)?D打印機(jī)本身機(jī)器的價(jià)格高，更重要的是3D打印所使用的材料價(jià)格高，精密度越高與速度越快的3D打印，其對(duì)于材料的要求越高。而材料作為3D打印技術(shù)成型工藝與成型件性能及設(shè)備結(jié)構(gòu)的核心，根據(jù)化學(xué)成分可分成金屬、陶瓷、聚合物及復(fù)合材料等，這些材料的價(jià)格較高，且數(shù)量有限，還要滿足剛度、強(qiáng)度、耐濕潮及熱穩(wěn)定性要求和方便后續(xù)工藝處理?？梢?，3D打印因受到材料緊缺與材料價(jià)格問(wèn)題的制約，難以快速形成市場(chǎng)化，對(duì)3D打印材料與其制備方法的深入研發(fā)帶來(lái)一定影響。

2 3D打印技術(shù)的材料及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 金屬材料

之所以3D打印倍受歡迎，主要因其可把物體的設(shè)計(jì)、創(chuàng)造或快速?gòu)?fù)制從改變變成現(xiàn)實(shí)。當(dāng)前大多3D打印材料以塑料為主，而金屬所具有的良好力學(xué)強(qiáng)度與導(dǎo)電性使該領(lǐng)域的研究者對(duì)金屬物品打印持有濃厚的興趣。但將金屬作為3D打印的原材料使用價(jià)格非常昂貴，特別是作生產(chǎn)原料而使用的金屬材料，比如1kg的鈦金屬粉末用在3D打印上的價(jià)格是200～400美元，昂貴的原材料使得3D打印技術(shù)難以真正得到普及。

2.2 陶瓷材料

硅酸鋁陶瓷粉末可以用作陶瓷產(chǎn)品的3D打印，且3D打印出來(lái)這類陶瓷制品耐熱性高，不透水，無(wú)毒可回收，可以作為理想的餐具、飲具、花瓶、燭臺(tái)、藝術(shù)品及瓷磚等家居裝飾品，但因其強(qiáng)度不高，因此容易碎裂。

2.3 聚合物材料

用于3D打印常見的聚合物材料有聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。ABS是最常用的3D打印熱塑性材料，不僅可生物降解，還有良好的柔韌性、抗高溫性及機(jī)械加工性，加上其強(qiáng)度高、耐磨性好與抗沖擊性大而常被工程師選用。但許多ABS部件會(huì)有精度障礙，和3D打印機(jī)的機(jī)床接觸時(shí)，表面容易向上卷曲，且打印較大物件時(shí)，要小心模型冷卻時(shí)因熱應(yīng)力而引發(fā)的翹曲和變形。PLA是3D打印初期使用情況最好的原材料，呈半透明顏色與光澤質(zhì)感，可經(jīng)生物降解后變成活性堆肥，是由甘蔗與玉米淀粉所形成，能避免模型發(fā)生翹曲和變形，打印出其他材料難以打印的形狀。但PLA材料打印出來(lái)的物件無(wú)法抵抗高溫，一旦溫度超過(guò)50℃就會(huì)變形和軟化，給3D打印帶來(lái)巨大的麻煩。

2.4 復(fù)合材料

美國(guó)硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室通過(guò)3D打印發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料，與傳統(tǒng)注塑定型和擠出方法相比，3D打印中通過(guò)對(duì)碳纖維的精確控制，可以優(yōu)化電熱性能與特定機(jī)械的性能，具有優(yōu)秀的抗化學(xué)與耐高溫性能，且可嚴(yán)格設(shè)定綜合性能。因3D打印復(fù)合材料的零件一次使用只可制造一層，每層可實(shí)現(xiàn)任何需要的纖維取向，因此其造價(jià)也會(huì)較為昂貴，且無(wú)法循環(huán)利用，適用于國(guó)防、航天及醫(yī)療方面。

3 農(nóng)作物秸稈3D打印的綜合應(yīng)用

和上述材料相比，農(nóng)作物秸稈應(yīng)用在3D打印中更具發(fā)展前景。農(nóng)作物秸稈是在籽實(shí)收獲之后剩下的一些富含纖維成分的作物殘留物，主要有豆類、麻類、薯類、禾谷類、油料類及甘蔗、棉花、瓜果、煙草等作物的秸稈，其作為農(nóng)作物當(dāng)中主要的副產(chǎn)品，數(shù)量龐大，同時(shí)也是具有多類用途的一種可再生生物資源。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的環(huán)境規(guī)劃署所做出的報(bào)道指出，世界上所種植的各類農(nóng)作物秸稈每年可提供20億t，而我國(guó)的農(nóng)作物秸稈每年產(chǎn)量大約是7億t，位居世界首位，其折合標(biāo)準(zhǔn)煤量是3.5億t左右，占全球秸稈總量約30%，我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量每年占生物質(zhì)資源量接近50%。

雖然農(nóng)作物秸稈為一種珍貴的可再生資源，但因受到生活方式與消費(fèi)觀念影響，我國(guó)的農(nóng)作物秸稈資源基本還處在高污染、高消耗及低產(chǎn)出的現(xiàn)狀，大多數(shù)農(nóng)作物秸稈都被棄置或焚燒，無(wú)法得到合理的開發(fā)與利用。根據(jù)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)作物秸稈的利用率在33%左右，其中大多數(shù)都未經(jīng)過(guò)處理，經(jīng)處理后所利用的量只有26%左右。所以，對(duì)農(nóng)作物秸稈資源進(jìn)行綜合應(yīng)用對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、增加收入及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

然而，將秸稈用在3D打印中的新材料，不僅可以解決農(nóng)民農(nóng)收問(wèn)題，保護(hù)環(huán)境，還能在加工回收后獲取3D打印的新材料，這樣可以顯著降低3D打印的成本。農(nóng)作物結(jié)鋼有著非常高的利用價(jià)值，其熱值高，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%，經(jīng)測(cè)定，農(nóng)作物秸稈的熱值大約15000KJ/kg，且農(nóng)作物秸稈中含有多種能夠被有效利用的成分，除了大部分的碳之外，還有鈣、鉀、鎂、硅、磷、氮等礦物質(zhì)元素及有機(jī)成分纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、蛋白質(zhì)、灰分及脂肪等，這些物質(zhì)可作為資源進(jìn)行利用。

如用玉米秸稈等原料經(jīng)過(guò)加工后可以打印出木紋餐具與花瓶等生活常用品，這種采用農(nóng)作物秸稈經(jīng)3D打印所生產(chǎn)的產(chǎn)品有著天然草木色的紋理與秸稈特有的清香，使所打印出來(lái)的產(chǎn)品更具木質(zhì)感，不僅實(shí)用，還具有觀賞價(jià)值，且農(nóng)作物秸稈用做3D打印的材料，綠色環(huán)保，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)受到多個(gè)國(guó)家的關(guān)注與重視，且對(duì)傳統(tǒng)的制造方法帶來(lái)巨大突破，在其不斷發(fā)展的過(guò)程中為各類似行業(yè)所存在的問(wèn)題提供新解決思路與方法。因此，各國(guó)開始大力發(fā)展3D打印打印技術(shù)，并將農(nóng)作物秸稈應(yīng)用到3D打印中，相信在未來(lái)3D打印技術(shù)會(huì)逐漸滲透到人們的生活中，變成社會(huì)發(fā)展新航標(biāo)。

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