3D打印材料大解析

時間：2024-06-10 11:43:36 3D效果圖

3D打印材料大解析

　　3D打印，是根據所設計的3D模型，通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術。這種逐層堆積成形技術又被稱作增材制造。3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，是快速成型技術的一種，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。

　　3D打印制造技術主要由3個關鍵要素組成：

　　一是產品需要進行精準的三維設計，運用計算機輔助設計(CAD)工具對產品全方位精準定位;

　　二是需要強大的成型設備;

　　三是需要滿足制品性能和成型工藝的材料。

　　由于3D打印制造技術完全改變了傳統制造工業的方式和原理，是對傳統制造模式的一種顛覆，因此3D打印材料成為限制3D打印發展的主要瓶頸，也是3D打印突破創新的關鍵點和難點所在，只有進行更多新材料的開發才能拓展3D打印技術的應用領域。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和復合材料等。

　　3D打印聚合物　　3D打印無人機

　　工程塑料

　　工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。

　　1)ABS

　　ABS材料因具有良好的熱熔性、沖擊強度，成為通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。目前主要是將ABS預制成絲、粉末化后使用，應用范圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機械用品。近年來ABS不但在應用領域逐步擴大，而且性能不斷提升，借助ABS強大的粘接性、強度通過對ABS的改性，使其作為3D打印材料在更廣范圍得到應用。

　　2014年國際空間站用ABS塑料3D打印機為其打印零件;世界上最大的3D打印機材料公司Stratasys公司研發的最新ABS材料ABS-M30，專為3D打印制造設計，機械性能比傳統的ABS材料提高了67%，從而擴大了ABS的應用范圍。

　　2)PA

　　PA強度高，同時具有一定的柔韌性，因此可直接利用3D打印制造設備零部件。利用3D打印制造的PA碳纖維復合塑料樹脂零件強度韌性很高，可用于機械工具代替金屬工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可與陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合，通過粘接實現陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3D打印。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進行3D打印樣件，用于發動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。用工程塑料替代傳統的金屬材料，最終解決了汽車的輕量化問題。

　　3)PC

　　PC具有優異的強度，其強度比ABS材料高出60%左右，因此適合于超強工程制品的應用。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進行3D打印樣件，用于發動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。德國拜耳公司開發的PC2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機的機身、機械齒輪等異型構件的3D打印制造。

　　3D打印吹塑成型模具(圖片來源：Stratasys)

　　4)PPFS

　　PPSF具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學品性，在各種快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復合處理，PPSF顯示出極高的強度，可用于3D打印制造高承受負荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。

　　5)PEEK

　　PEEK具有優異的耐磨性、生物相容性、化學穩定性以及楊氏模量最接近人骨等優點，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體。基于熔融沉積成型原理的3D打印技術安全方便、無需使用激光器、后處理簡單，通過與PEEK材料結合制造仿生人工骨。

　　6)EP

　　EP(Elasto Plastic)即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料，它能夠避免用ABS打印的穿戴物品或可變形類產品存在的脆性問題。顧名思義，Elasto Plastic是一種新型柔軟的3D打印材料，在進行塑形時和ABS一樣均采用“逐層燒結”原理，但打印的產品卻具有相當好的彈性，易于恢復形變。這種材料可用于制作像3D打印鞋、手機殼和3D打印衣物等產品。

　　7)Endur

　　Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料—Endur，它是一種先進的仿聚丙烯材料，可滿足各種不同領域的應用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，用其打印的產品表面質量佳，且尺寸穩定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用于打印運動部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器。

　　生物塑料

　　3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羥基丁酸酯(PHB)、聚-羥基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯 (PBS)、聚己內酯(PCL)等，具有良好的可生物降解性。

　　1)PLA

　　PLA(Poly Lactic Acid)即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多種半透明色和光澤質感。作為一種環境友好型塑料，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它源于可再生資源—玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生資源——化石燃料。新加坡南洋理工大學的Tan K H等在應用PLA制造組織工程支架方面的研究中，采用3D技術成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA組織工程支架，通過對該支架進行組織分析，發現其具有生長能力。

　　3D打印的PLA螺栓和螺母、PLA檸檬榨汁機推桿

　　2)PETG

　　PETG是采用甘蔗乙烯生產的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。具有出眾的熱成型性、堅韌性與耐候性，熱成型周期短、溫度低、成品率高。PETG作為一種新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的優點。在3D打印時，材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性，無需在密閉空間里貯存。由于PETG的收縮率低、溫度低，在打印過程中幾乎沒有氣味，使得PETG在3D打印領域產品具有更為廣闊的開發應用前景。

　　3)PCL

　　PCL是一種生物可降解聚酯，熔點較低，只有60℃左右。與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設備、縫合劑等，同時，PCL還具有形狀記憶性。在3D打印中，由于它熔點低，所以并不需要很高的打印溫度，從而達到節能的目的。在醫學領域，可用來打印心臟支架等。

　　熱固性塑料

　　熱固性樹脂如環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、芳雜環樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用3D打印的粉末激光燒結成型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家與Wyss生物工程研究所聯手開發出了一種可3D打印的環氧基熱固性樹脂材料，這種環氧樹脂可3D打印成建筑結構件用在輕質建筑中。

　　光敏樹脂

　　光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組成，由于具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性，使得液態光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表干性能優異，成型后產品外觀平滑，可呈現透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個人桌面3D打印系統。

　　高分子凝膠

　　高分子凝膠具有良好的智能性，海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3D打印，在一定的溫度及引發劑、交聯劑的作用下進行聚合后，形成特殊的網狀高分子凝膠制品。如受離子強度、溫度、電場和化學物質變化時，凝膠的體積也會相應地變化，用于形狀記憶材料;凝膠溶脹或收縮發生體積轉變，用于傳感材料;凝膠網孔的可控性，可用于智能藥物釋放材料。

　　3D打印金屬

　　目前大多數3D打印耗材是塑料，而金屬良好的力學強度和導電性使得研究人員對金屬物品的打印極為感興趣。

　　3D Systems為GE公司打印的航空金屬構件(左)3D 打印奧斯卡“小金人”(右)

　　黑色金屬

　　1)不銹鋼

　　不銹鋼是最廉價的金屬打印材料，經3D打印出的高強度不銹鋼制品表面略顯粗糙，且存在麻點。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構件和小型雕刻品等的3D打印。

　　2)高溫合金

　　高溫合金因其強度高、化學性質穩定、不易成型加工和傳統加工工藝成本高等因素，目前已成為航空工業應用的主要3D打印材料。隨著3D 打印技術的長期研究和進一步發展，3D打印制造的飛機零件因其加工的工時和成本優勢已得到了廣泛應用。

　　有色金屬

　　1)鈦

　　采用3D打印技術制造的鈦合金零部件，強度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達1mm，而且其零部件機械性能優于鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D打印汽車、航空航天和國防工業上都將有很廣闊的應用前景。

　　2)鎂鋁合金

　　鎂鋁合金因其質輕、強度高的優越性能，在制造業的輕量化需求中得到了大量應用。在3D打印技術中，它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。

　　日本佳能公司利用3D打印技術制造出了頂級單反相機鎂鋁合金特殊曲面頂蓋

　　3)鎵

　　鎵(Ga)主要用作液態金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，鎵既不含毒性，也不會蒸發。鎵可用于柔性和伸縮性的電子產品，液態金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上已得到了應用。

　　3)鎵-銦合金

　　北卡羅琳州立大學化學和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用鎵(Ga)與銦(In)的液態金屬合金通過3D打印技術在室溫下創造了一種三維的自立式結構，這一奇跡的誕生得益于鎵-銦合金在空氣中與氧氣發生反應形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術在3D打印中被用于連接電子部件。

　　4)稀貴金屬

　　3D打印的產品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設計師受益最大的似乎就是將3D打印快速原型技術作為一種強大，且可方便替代其他制造方式的創意產業。在飾品3D打印材料領域，常用的有金、純銀、黃銅等。

　　陶瓷

　　硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3D打印陶瓷產品。3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱(可達600°C)、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。

　　復合材料

　　美國硅谷Arevo實驗室3D打印出了高強度碳纖維增強復合材料。相比于傳統的擠出或注塑定型方法，3D打印時通過精確控制碳纖維的取向，優化特定機械、電和熱性能，能夠嚴格設定其綜合性能。由于3D打印的復合材料零件一次只能制造一層，每一層可以實現任何所需的纖維取向。結合增強聚合物材料打印的復雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學性能。

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