3D打印材料有哪些

2018-09-29

由于完全改變了傳統(tǒng)制造工業(yè)的方式和原理，作為關(guān)鍵核心技術(shù)的3D打印儼然已成為各國(guó)制造業(yè)先進(jìn)與否的技術(shù)衡量標(biāo)準(zhǔn)。知名3D打印顧問(wèn)公司W(wǎng)ohlers Associates近日發(fā)布的《Wohlers Report 2018》顯示：2017年增材制造行業(yè)整體增長(zhǎng)21%，市場(chǎng)價(jià)值超過(guò)12.5億美元。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年，3D打印市場(chǎng)的價(jià)值將高達(dá)210億美元。

　　3D打印制造技術(shù)主要由三大要素組成：精準(zhǔn)的三維設(shè)計(jì)；強(qiáng)大的成型設(shè)備；滿足制品性能和成型工藝的材料。

　　目前，3D打印材料約有200余種，通常對(duì)于耐熱性、靈活性、穩(wěn)定性以及敏感性有著極高的要求，均是專(zhuān)門(mén)針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)。

　　可見(jiàn)，在3D打印風(fēng)暴席卷全球的今天，作為其中關(guān)鍵部分的3D打印材料無(wú)疑正幫助攪動(dòng)這場(chǎng)風(fēng)暴。作為3D打印的“墨水”，3D打印材料開(kāi)發(fā)難度大、成本高，目前仍是構(gòu)建3D打印生態(tài)圈的掣肘因素。

　　俗話說(shuō)“巧婦難為無(wú)米之炊”，3D打印材料之于3D打印的重要性不言而喻！今天，就讓我們好好“爆料”一下這些3D打印材料。

　　工程塑料

　　作為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)3D打印材料，工程塑料占商用3D打印材料的90%以上，應(yīng)用于FDM設(shè)備，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。主要包括熱塑性材料和熱固性材料。目前常見(jiàn)的工程塑料主要有以下幾類(lèi)：

　　ABS：當(dāng)前最熱門(mén)的FDM 熱塑性塑料之一，通常呈絲狀；具有良好的熱熔性與沖擊強(qiáng)度，是通過(guò)熔融沉積3D打印的首選工程塑料。優(yōu)點(diǎn)在于打印出的部件機(jī)械強(qiáng)度好且穩(wěn)定性高。同時(shí)，還可與可溶性支撐材料一起使用。可以進(jìn)行多種顏色選擇，甚至可以自定義顏色，比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技術(shù)的輔助下就能提供象牙色、白色、黑色等九種顏色的選擇。

　　PC：白色工程塑料，可與FDM技術(shù)相結(jié)合制造出耐用的模型、工具或最終產(chǎn)品零件。與ABS塑料相比，PC材料具有更好的強(qiáng)度、耐高溫性、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為最終零部件使用于超強(qiáng)工程制品的應(yīng)用。使用PC材料制作的樣件可直接裝配使用，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

　　PA：機(jī)械強(qiáng)度高，且具有一定柔韌性，耐熱，耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的強(qiáng)度特性和抗疲勞性，并可抗中度腐蝕性化學(xué)品，適于重復(fù)閉合、卡扣式和抗振動(dòng)部件，而Stratasys的FDM Nylon 6同時(shí)具有優(yōu)于其他熱塑性塑料的強(qiáng)度和韌性，可經(jīng)受?chē)?yán)格的功能測(cè)試，是汽車(chē)、航空航天、消費(fèi)品和工業(yè)制造行業(yè)中的產(chǎn)品制造商和開(kāi)發(fā)工程師的理想選擇。

　　光敏樹(shù)脂

　　因具有較快的固化速度，光敏樹(shù)脂表干性能優(yōu)異，成型后產(chǎn)品外觀平滑，可呈現(xiàn)透明至半透明磨砂狀。因具有良好的液體流動(dòng)性和瞬間光固化特性，使得液態(tài)光敏樹(shù)脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。目前主要有以下三類(lèi)：

　　齊聚物：含有不飽和鍵的低分子聚合物，種類(lèi)多，以各類(lèi)丙烯酸樹(shù)脂最為常見(jiàn)。齊聚物是光固化材料中最為基礎(chǔ)的材料，決定了光敏樹(shù)脂的黏度、硬度、斷裂延伸率等基本物理化學(xué)性能。

　　反應(yīng)性稀釋劑：是含有雙鍵的小分子溶劑。反應(yīng)性稀釋劑調(diào)節(jié)體系的黏度，降低齊聚物的黏度，避免噴頭因黏度過(guò)高而堵塞。反應(yīng)性稀釋劑還參與到光固化反應(yīng)之中，影響到聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、聚合程度以及固化物的物理性質(zhì)等。

　　光引發(fā)劑：最為關(guān)鍵的組分，決定了光固化材料的質(zhì)量與光固化反應(yīng)的速度。可根據(jù)引發(fā)輻射的能量不同而分為紫外線引發(fā)劑和可見(jiàn)光引發(fā)劑。由于紫外光引發(fā)劑具有存儲(chǔ)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在3D 打印市場(chǎng)上所用的光引發(fā)劑都是紫外光引發(fā)劑。

　　金屬材料

　　3D打印金屬材料以金屬粉末、金屬箔以及金屬絲的形式存在。金屬材料現(xiàn)階段市場(chǎng)份額較小，但擴(kuò)張速度最快。

　　金屬材料可以用于選擇性激光燒結(jié)（SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔煉（EMB）等工業(yè)級(jí)別的3D打印機(jī)。若把金屬材料加入到某些工程塑料材料（如ABS）中去，則可制成適用于FDM 機(jī)型的具有一定金屬屬性的線材。

　　在3D打印金屬材料的過(guò)程中，需要考慮金屬的固液相變、表面擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)等因素，而金屬粉末的形態(tài)直接影響3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量。如今常見(jiàn)的金屬材料包括鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金和鋁合金等材料。金、銀等貴金屬粉末材料偶爾也會(huì)被用于打印首飾或藝術(shù)品等。

　　陶瓷材料

　　硅酸鋁陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷產(chǎn)品，一般呈粉末狀，通常用于選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)。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。

　　陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比，會(huì)直接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。

　　陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，具有應(yīng)用于航空航天和汽車(chē)等領(lǐng)域的潛能。同時(shí)，陶瓷材料可以選擇的顏色很多，可打印出形態(tài)逼真、色彩豐富的產(chǎn)品，是工藝品、建筑和衛(wèi)浴產(chǎn)品的理想選擇。

　　生物用高分子材料

　　生物3D打印材料主要包括支架材料與直接細(xì)胞打印材料。支架類(lèi)3D打印材料需滿足：良好的生物相容性，對(duì)細(xì)胞及機(jī)體無(wú)毒害；良好的生物降解特性，可完全被機(jī)體降解吸收或排出體外；良好的機(jī)械特性，具備一定的力學(xué)強(qiáng)度及可塑性，結(jié)構(gòu)可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，具有較高的孔隙率；良好的表面相容性，利于細(xì)胞在材料表面黏附與生長(zhǎng)。主要分為以下幾類(lèi)：

　　PLA：3D打印起初使用得最好的原材料，具有多種半透明色和光澤質(zhì)感。它源于可再生資源—玉米淀粉和甘蔗，無(wú)毒無(wú)味，是能夠降解的環(huán)保型塑料。

　　PETG：具有出眾的熱成型性、堅(jiān)韌性與耐候性，熱成型周期短、溫度低、成品率高，兼具PLA和ABS的優(yōu)點(diǎn)。

　　PCL：是一種生物可降解聚酯，熔點(diǎn)較低，常常用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備、縫合劑等，同時(shí)還具有形狀記憶性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用來(lái)打印心臟支架等。

　　其他3D打印材料

　　碳纖維材料是一種新興的3D打印材料，強(qiáng)度是鋼的五倍而重量卻只有其1/3，且還具有耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

　　導(dǎo)電打印材料是熱塑性材料的一種，可用于制造具有電子或是機(jī)械功能的3D打印產(chǎn)品，如電路板、手電筒以及可穿戴的照明設(shè)備等。