魔猴網(wǎng)帶你了解3D打印材料

魔猴君  知識(shí)堂   3243天前

3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的制作方式，并持續(xù)給人們帶來(lái)技術(shù)更新的震撼。然而，3D打印技術(shù)真的可以全面取代傳統(tǒng)技術(shù)了嗎？其實(shí)不然，雖然3D打印技術(shù)的發(fā)展已相對(duì)成熟，當(dāng)其面臨的技術(shù)瓶頸與難題也同樣存在，尤其是在材料和速度方面，是目前科研人員著重發(fā)展的方向。此篇文章，魔猴君將就3D打印的材料進(jìn)行全面解讀。

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使其成為近幾年國(guó)內(nèi)外快速成形技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前，美國(guó)、歐洲和日本都站在21世紀(jì)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度，對(duì)快速成形技術(shù)投入了大量的研究，使3D打印技術(shù)得到了迅速發(fā)展。在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的應(yīng)用，并投入巨資研制增材制造金屬零部件，特別是大力推動(dòng)增材制造技術(shù)在鈦合金等高價(jià)值材料零部件制造上的應(yīng)用。

材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸，這里簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。

一、3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹(shù)脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。3D打印所用的這些原材料都是專門(mén)針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，與普通的塑料、石膏、樹(shù)脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動(dòng)性，一般要求粉末要具有高球形度。

1.工程塑料

零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見(jiàn)的有acrylonitrile butadiene styrene（ABS）類材料、polycarbonate（PC）類材料、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，正常變形溫度超過(guò)90℃，可進(jìn)行機(jī)械加工（鉆孔、攻螺紋）、噴漆及電鍍。

ABS材料的顏色種類很多，如象牙白、白色、黑色、深灰、紅色、藍(lán)色、玫瑰紅色等，在汽車、家電、電子消費(fèi)品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

PC材料是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性：高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲，可以作為最終零部件使用。使用PC材料制作的樣件，可以直接裝配使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。PC材料的顏色比較單一，只有白色，但其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右，具備超強(qiáng)的工程材料屬性，廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

尼龍玻纖是一種白色的粉末，與普通塑料相比，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度有所增強(qiáng)，熱變形溫度以及材料的模量有所提高，材料的收縮率減小，但表面變粗糙，沖擊強(qiáng)度降低。材料熱變形溫度為110℃，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品領(lǐng)域。

PC-ABS材料是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC-ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強(qiáng)度及耐熱性，大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)。使用該材料配合FORTUS設(shè)備制作的樣件強(qiáng)度比傳統(tǒng)的FDM 系統(tǒng)制作的部件強(qiáng)度高出60%左右，所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件等熱塑性部件。

polycarbonate-iso（PC－ISO）材料是一種通過(guò)醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料，具有很高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)域。同時(shí)，因?yàn)榫邆銹C的所有性能，也可以用于食品及藥品包裝行業(yè)，做出的樣件可以作為概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件使用。

POLYSULFONE（PSU）類材料是一種琥珀色的材料，熱變形溫度為189℃，是所有熱塑性材料里面強(qiáng)度最高，耐熱性最好，抗腐蝕性最優(yōu)的材料，通常作為最終零部件使用，廣泛用于航空航天、交通工具及醫(yī)療行業(yè)。PSU類材料能帶來(lái)直接數(shù)字化制造體驗(yàn)，性能非常穩(wěn)定，通過(guò)與RORTUS設(shè)備的配合使用，可以達(dá)到令人驚嘆的效果。

2.光敏樹(shù)脂

ultraviolet rays（UV）樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹(shù)脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國(guó)3Dsystem公司和以色列object公司。常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂有somos NEXT材料、樹(shù)脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹(shù)脂。

somos NEXT材料為白色材質(zhì)，類PC新材料，韌性非常好，基本可達(dá)到selective laser sintering（SLS，選擇性激光燒結(jié)）制作的尼龍材料性能，而精度和表面質(zhì)量更佳。somos NEXT材料制作的部件擁有迄今最優(yōu)的剛性和韌性，同時(shí)保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域。

somos11122材料看上去更像是真實(shí)透明的塑料，具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性，能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類似工程塑料的特性，這些特性使它很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。

somos19120材料為粉紅色材質(zhì)，是一種鑄造專用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_(kāi)發(fā)模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短周期，擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。

氧樹(shù)脂是一種便于鑄造的激光快速成型樹(shù)脂，它含灰量極低（800℃時(shí)的殘留含灰量＜0.01%），可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系，而且不含重金屬銻，可用于制造極其精密的快速鑄造型模。

3.橡膠類材料

橡膠類材料具備多種級(jí)別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長(zhǎng)率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

4.金屬材料

近年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

鈦是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，以及火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)件。

鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金，它的抗腐蝕性能和機(jī)械性能都非常優(yōu)異，用其制作的零部件強(qiáng)度高、耐高溫。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件，強(qiáng)度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達(dá)1mm，而且其零部件機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝。

不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價(jià)比較高的金屬粉末材料。3D打印的不銹鋼模型具有較高的強(qiáng)度，而且適合打印尺寸較大的物品。

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形尤其困難，特別是復(fù)雜陶瓷件需通過(guò)模具來(lái)成形。模具加工成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求。

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。由于粘結(jié)劑粉末的熔點(diǎn)較低，激光燒結(jié)時(shí)只是將粘結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起。在激光燒結(jié)之后，需要將陶瓷制品放入到溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行后處理。陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多，燒結(jié)比較容易，但在后置處理過(guò)程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度。粘結(jié)劑份量少，則不易燒結(jié)成形。顆粒的表面形貌及原始尺寸對(duì)陶瓷材料的燒結(jié)性能非常重要，陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，陶瓷層的燒結(jié)質(zhì)量越好。

瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。目前，陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟，國(guó)內(nèi)外正處于研究階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化。

6.其他3D打印材料

除了上面介紹的3D打印材料外，目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等材料。

彩色石膏材料是一種全彩色的3D打印材料，是基于石膏的、易碎、堅(jiān)固且色彩清晰的材料?；谠诜勰┙橘|(zhì)上逐層打印的成型原理，3D打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細(xì)微的顆粒效果，外觀很像巖石，在曲面表面可能出現(xiàn)細(xì)微的年輪狀紋理，因此，多應(yīng)用于動(dòng)漫玩偶等領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)、組織工程相結(jié)合，可制造出藥物、人工器官等用于治療疾病。加拿大目前正在研發(fā)“骨骼打印機(jī)”，利用類似噴墨打印機(jī)的技術(shù)，將人造骨粉轉(zhuǎn)變成精密的骨骼組織。打印機(jī)會(huì)在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑，使薄膜變得更堅(jiān)硬。

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)打印出來(lái)的鮮肉，是先用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出的細(xì)胞介質(zhì)，生成類似鮮肉的代替物質(zhì)，以水基溶膠為粘合劑，再配合特殊的糖分子制成。還有尚處于概念階段的用人體細(xì)胞制作的生物墨水，以及同樣特別的生物紙。打印的時(shí)候，生物墨水在計(jì)算機(jī)的控制下噴到生物紙上，最終形成各種器官。食品材料方面，目前，砂糖3D打印機(jī)candyfab4000可通過(guò)噴射加熱過(guò)的砂糖，直接做出具有各種形狀，美觀又美味的甜品。

二、問(wèn)題與展望

近年來(lái)，3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多。但3D打印材料的供給形勢(shì)卻并不樂(lè)觀，成為制約3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前，我國(guó)3D打印原材料缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)有能力生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)很少，特別是金屬材料主要依賴進(jìn)口，價(jià)格高。這就造成了3D打印產(chǎn)品成本較高，影響了其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。因此，當(dāng)前的迫切任務(wù)之一是建立3D打印材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加大對(duì)3D打印材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和資金支持，提高國(guó)內(nèi)3D打印用材料的質(zhì)量，從而促進(jìn)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)，3D打印技術(shù)的進(jìn)步一定會(huì)促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的跨越發(fā)展，使我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。