3．4 3D打印PC在照明领域的开发和应用
3．4．1 背景介绍
3D打印又称增材制造，是快速成型技术的一种，它以计算机三维设计模型为基础，将打印材料通过逐层堆积的方式来构造三维物体，在航空航天、汽车、医疗、建筑、消费品等领域有着很好的潜在应用价值。随着对3D打印技术的深入研究，3D打印在照明领域的应用也得到了快速发展，能够实现照明产品零部件、组件的定制和创新的灯具设计是照明和3D打印能够结合在一起的主要原因。布鲁克林设计师罗伯特·迪班 （robert debbane）用3D打印机创作了一组雕琢精致的纹饰灯具，并在2015纽约设计周期间的“wanted 设计博览会”上亮相（图8）。在2018米兰设计周上，由清华学子创立的紫晶立方携带3D打印月球灯亮相了本次展会，让3D打印月球灯成为了展会上亮眼的“一颗”（图9）。这些都说明了3D打印材料在照明领域具有重要的应用价值。
3．4．2． 3D打印PC材料特性
应用于照明领域的3D打印技术主要有熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）和立体光固化成型法（SLA）。FDM具有成型材料广泛、成型设备简单、操作简单、成本低廉等优点，缺点是精度低、表面质量差、悬臂件需加支撑、复杂构件不易制造。采用FDM方法打印的材料为PC，本色的PC具有透明性、高光泽、高耐热（超过120℃）的特点，在照明领域适合作为灯管、灯罩等用途，不过PC的打印温度较高，打印制品易翘曲。SLS技术的优点在于材料利用率高，生产周期短，开发成本低，成型件无需支撑结构，能够打印复杂制品，但需预热和冷却，成型过程中产生有毒气体和粉尘，表面粗糙。SLA技术的工作系统稳定，工件尺寸精度高，表面质量较好，能够构建复杂结构的工件，但可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂，树脂会吸水，导致软薄部分弯曲，同时也需要设计工件的支撑结构，制作成本相对较高。
3．4．3 3D打印PC材料行业进展
成都新柯力化工科技有限公司的三维打印的浸胶PC丝料，其特征在于PC丝料外层包裹快熔性热熔胶，由以下原料按重量份制备而成，通过在PC细丝表面裹覆一层复合热熔胶，通过热熔胶中的碳粉和铝粉实现了PC细丝的快速均匀熔融，加入的增强剂能够增强PC材料的韧性和热稳定性，使PC材料在用于三维打印快速熔融时具有优异的熔融流动性，其在3D打印中有着非常广泛的应用。
3．4．4 照明应用案例
3D打印材料已经在照明领域得到了一定的应用。FDM方法在照明领域主要用于打印灯具的灯罩、底座等。
图8 “wanted 设计博览会”上的翡兹灯（左）与西顿灯（右）
图9 2018米兰设计周上的3D打印月球灯
3．5 绿色环保免喷涂材料
3．5．1 免喷涂材料定义与介绍：
免喷涂材料是在塑胶原料通过熔融共混的方式加入具有不同显示效果的：金属粉、珠光粉、陶瓷粉、高光色粉等，使其自带特殊色彩效果，通过直接注塑，成型的同时，获得接近涂装的表面效果，去除高污染、高成本的喷涂环节，可减少溶剂、重金属的使用，减少环境污染，降低相关从业人员患病风险，提高生产效率、降低生产成本。
3．5．2 国内外免喷涂材料发展趋势
随着国家和公众环保意识的增强，免喷涂技术日益得到业界的重视。上海汽车集团股份有限公司的李征、刘永强针对钢琴黑高光注塑件在汽车内饰件上的开发，从注塑工艺，模具结构，材料选择做了深入分析，采用蒸汽加热设备，模温瞬间加热到180℃和瞬间冷却至40℃，制备得到钢琴黑制件，可以媲美喷涂件外观效果。泛亚汽车技术研究中心的赵颖等人，针对不同的钢琴黑免喷涂材料，在汽车格栅的应用做了大量对比试验，为汽车选材提供了技术依据。胡纲考察了常规免喷涂材料中珠光粉和金属粉添加量对材料机械性能，外观影响研究。
3．5．3 免喷涂的优点，缺点，解决方案：
喷涂可以实现多彩绚丽的色彩、高光、光滑的质感，降低表面摩擦，但是同时也带来对环境、健康的不良影响，如果能够达到同样的功能和效果，免喷涂塑料将会取代喷漆塑料。
免喷涂聚合物材料是在PC中通过熔融共混的方式加入具有不同显示效果的金属粉、珠光粉、陶瓷粉、高光粉等，使其自带特殊色彩效果。相比喷涂产品，免喷涂产品易成型，且成品率高，制件可100％回收再利用，不产生对环境有毒有害的气体、粉尘等污染物质。此外，其靓丽的色彩可以帮助客户应对多样化、差别化的市场需求。
随着各行业的快速发展，极大的推动了我国涂料行业的发展，从上世纪70年代的年产1000吨，到2014年的年产1600万吨，产值约为2000亿人民币，其增长速度惊人，每年以10％速度在增长。但是涂料行业在快速发展的同时，有机溶剂和重金属对环境、人员健康的杀伤力也不容小觑。免喷涂塑料产品的面世，将主要给汽车、卷材及工业防护涂料生产企业带来很大的冲击，免喷涂聚合物材料若替换20％的涂料市场，将会新增加400亿人民币的市场容量。免喷涂聚合物材料作为新型的环保材料，银禧光电从原材料、配方、模具设计到注塑工艺，产业链上下游积极开展免喷涂相关的技术和工艺研究，且市场需求每年以20％的速度增长，在汽车，家电和电子电气等领域拥有广阔的市场前景。
从环境保护和健康管理的角度来看，毫无疑问免喷涂聚合物材料是有压倒性优势的。免去喷漆的过程，可以有效控制VOC的产生，对环境、人体健康都是有利的。
从成本的角度来看，虽说免喷涂产品价格较高，但是成型过程中，免去油漆喷涂过程，加之可100％回收利用，综合来讲，相较于喷漆产品，成本下降了20－30％。
从原材料、配方、模具设计到注塑工艺，产业链上下游积极开展免喷涂相关的技术和工艺研究，大大地促进了免喷涂技术在各个领域的应用和普及。
但是在替代使用特殊效果颜料的涂装中，尚未能取得大规模的应用，主要有以下技术难点尚未得到很好解决：
（1） 金属颜料在挤出过程中被剪碎、压弯、光泽度下降，导致产品颜色发暗，金属质感差，无法媲美涂装的颜色外观效果。
（2） 注塑过程中，由于金属颜料与树脂相容性、分散性不好、流场对金属颜料排列的影响，从而使产品表面偏暗或出现流痕。
（3） 产品结构和模具浇口排列不合理引起的结合线发暗。
解决上述3个主要技术难点，是促进免喷涂材料大规模应用的前提条件。行业内主要研究攻克上述技术难点，并已取得部分成效，通过对颜料表面进行多层包裹处理、采用功能化改性技术和先进挤出工艺等方法解决上述技术难题。
3．5．5 应用实例
目前免喷涂塑料有免喷涂PC、免喷涂PC／ABS等，应用领域涵盖家电、电子电器、汽车、3C、照明领域。电饭煲、洗衣机、空调面板、手机外壳、汽车配件等都可使用免喷涂聚合物材料。如图10所示，不同材质免喷涂材料在照明领域的应用。
图10 免喷涂材料在照明领域的应用
四、结语
由于光电子技术迅速发展，各种光学用透明材料正在逐步向高分子材料替代无机玻璃的方向发展，其中PC以其独特、优异的综合性能使其在该领域的应用范围不断拓宽。随着人们对其光学性能、结构及成型过程之间关系的研究不断深化，目前在我国研发、应用尚属起步阶段的光学级PC，必将进一步显示出其更加广阔的应用领域和更加巨大的经济前景。
（作者：张林 傅轶）
