超全麵3D打印材料大（dà）解（jiě）析
點擊（jī）量：670 發布時間：2017-05-02 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材（cái）製造技術有限公司
3Ｄ打印，是根據所設計的3Ｄ模型，通過（guò）3Ｄ打（dǎ）印設備（bèi）逐層增（zēng）加材料來製造三維產（chǎn）品的技（jì）術。這種逐層堆積成形技術（shù）又被稱作增材製造。3Ｄ打印綜合了數字建模技術（shù）、機電控（kòng）製技術、信息技術、材（cái）料科學與化學等諸多領域的前沿（yán）技術，是快速成型技術的一種，被譽為“第三（sān）次工業革命”的核心（xīn）技術。
世界首家3D打印汽車生（shēng）產商LocalMotors（左）飛利浦公（gōng）司（sī）3D打印剃須刀（右）
美國3D打印自動步槍，劍（jiàn）橋（qiáo）大學甲骨文3D打印複製品（圖片來源：南瓜網）
3D打（dǎ）印製造技術主要由3個關鍵要素組（zǔ）成：
一是產品需要進行（háng）精準的三維設計，運用計算機輔助設計（CAD）工具對產品（pǐn）全方位（wèi）精準定位；
二是需要強大的成型設備；
三是需要滿足製品性（xìng）能和成型工藝的材料。
由於3D打印製造技術完全改變了傳統製造工業的方式和原（yuán）理，是對傳統製造模式的一種顛覆，因此3D打印材料成為限製3D打印（yìn）發展的主要瓶頸，也是3D打印突破創新的關鍵點和難點所（suǒ）在，隻有進（jìn）行更多新材料的開發才能拓展（zhǎn）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（cái）料和複合材料等。
3D打印聚合物
3D打印無人機（圖片來（lái）源：南瓜網）
1.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（dù）、耐衝擊性、耐熱性、硬度（dù）及抗老（lǎo）化（huà）性均優的塑料。工（gōng）程塑料是當前應用最（zuì）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）、聚苯碸(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等。
1）ABS
ABS材料因具有良好的熱熔性、衝擊強度， 成（chéng）為（wéi）通過熔（róng）融沉積（jī）3D打印（yìn）的首選工程塑料。 目前主要是將ABS預製成絲（sī）、粉末（mò）化後使（shǐ）用，應用範圍（wéi）幾乎涵蓋了所有日（rì）用品、工程用品和部分機械用品。近年（nián）來ABS不（bú）但在應用領域逐（zhú）步擴大，而且性能（néng）不斷提升，借助ABS強（qiáng）大的粘接性、強度通過對ABS的改性，使其作為3D打印材（cái）料在更廣範圍得到應用。
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打印製造設計，機械性（xìng）能比傳統的ABS材料提高了67%， 從而擴大了ABS的應用範圍。
3D打印的ABS行星齒輪和車鏈模型（圖片來源：Stratasys）
2）PA
PA強度高，同時具有一定的柔韌性，因此（cǐ）可直接利用3D打印製造設備零部（bù）件。利用3D打印（yìn）製造的PA碳纖維複合塑料樹脂零件強度韌性很高，可用於機械（xiè）工具代替金屬工具。另外，由（yóu）於PA的粘（zhān）接性和粉末特性，可與陶瓷粉、玻璃粉、金（jīn）屬粉等混合，通過粘接實現陶瓷粉、玻璃粉、金（jīn）屬粉的低溫3D打印。索（suǒ）爾維公司作為（wéi）全球（qiú）PA工程塑料的專家，基於（yú）PA的工程塑料進（jìn）行3D打印樣件，用於發動機周邊零件、門把（bǎ）手套件、刹車踏板等。用工程塑（sù）料（liào）替代傳統的（de）金屬材料，最終（zhōng）解（jiě）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，因此適合於超強工程製品的（de）應用。索爾維（wéi）公司作為全球（qiú）PA工程塑料的專家，基（jī）於PA的工程塑料（liào）進行3D打印樣件，用（yòng）於（yú）發動（dòng）機周邊零件、門把（bǎ）手套件、刹車踏板等。德國拜耳公司開發的PC2605可（kě）用於防彈玻璃、樹脂鏡片（piàn）、車頭燈罩、宇航員頭盔麵罩、智能（néng）手機的機身、機械齒輪等（děng）異型構件的3D打印製造（zào）。
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（yǐ）及耐化學品性，在各種快速（sù）成型工程塑料材料之中性能最佳，通過碳纖（xiān）維、石墨的複（fù）合處理，PPSF顯示出極高的強度，可用於3D打印製造高承受負（fù）荷的製（zhì）品，成（chéng）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（xiàng）容性、化學穩定性以及楊氏模量最接近（jìn）人骨等優點（diǎn），是理想的人工骨（gǔ）替換材料，適合長期植入人體。基於熔融（róng）沉積成型原理（lǐ）的3D打印技術安全方便、無需使（shǐ）用激光器（qì）、後處理簡單，通過與PEEK材料結合製造仿生人（rén）工（gōng）骨。
6）EP
EP（Elasto Plastic）即彈性塑料，是（shì）Shapeways公司最新研製的一種3D打印原材料，它能夠避免用ABS打印的穿戴物品或（huò）可變形類產品存在的脆性問（wèn）題。顧名思義，Elasto Plastic是一（yī）種新型柔軟的3D打印材料，在進行（háng）塑形時和ABS一樣（yàng）均采（cǎi）用“逐層燒（shāo）結（jié）”原理，但（dàn）打印的產品卻（què）具有相當好的彈性，易於恢複形變。這（zhè）種材料（liào）可用於（yú）製作像3D打印鞋、手機殼和3D打印衣物（wù）等產品。
3D打印的（de）EP鞋和EP機殼
7）Endur
Stratasys公司推出一款全新（xīn）的3D打印材料—Endur，它是一種先（xiān）進的仿聚丙烯材料，可滿（mǎn）足各種不同領域的應用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好（hǎo）和耐高溫性能，用其打印（yìn）的產品表麵質量佳，且尺（chǐ）寸穩定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用於打印運動部件、咬合齧（niè）合部件以（yǐ）及小型盒子和容器。
3D打印的Endur筆筒（tǒng）
2.生物塑料
3D打印生物塑料（liào）主要有聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲（jiǎ）酸乙二醇酯-1,4-環己烷二（èr）甲醇酯（PETG）、聚-羥（qiǎng）基丁酸酯（PHB）、 聚-羥基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁（dīng）二醇酯 （PBS）、聚己內酯（PCL）等，具有良好的可生物降（jiàng）解性。
來源：3D system 公司（sī）
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（zhǒng）半透明色和光澤質感。作為一種環境友好型塑料（liào），聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它源於可再（zài）生資（zī）源—玉米澱粉和甘蔗（zhè），而不是非可再生資源——化石燃（rán）料。新加坡南洋理工大學的Tan K H等（děng）在應（yīng）用PLA製造組（zǔ）織工程支架方麵的研究中，采用3D技術（shù）成型生物可降解的高分子材料，製造了高（gāo）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（xiàn）其具有生長能力。
3D打（dǎ）印的PLA螺栓和螺母、PLA檸檬榨汁機（jī）推杆
2）PETG
PETG是采用甘蔗（zhè）乙烯生產的生物基乙二醇為（wéi）原料合成的生物基塑料。具有出眾的熱成型（xíng）性、堅（jiān）韌性與耐候性，熱成型周期短（duǎn）、溫度低、成品率高（gāo）。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（shōu）縮率非常小，並且具有良（liáng）好的疏水性，無需在密（mì）閉空間裏貯存。由於（yú）PETG的收縮率低、溫度低，在打印（yìn）過程中幾乎沒有氣味，使得PETG在3D打印領（lǐng）域產品具有更為廣闊的開發應（yīng）用前景。
3）PCL
PCL是一種生物可降解聚酯，熔點較低，隻有60℃左右（yòu）。與大部分生物材料一樣，人們常常把它（tā）用作（zuò）特殊用途如藥物傳輸（shū）設備、縫合劑等，同時，PCL還具有形狀（zhuàng）記憶性。在3D打印中，由於它熔點低，所以並不需要很高的打印溫度，從而達到（dào）節（jiē）能（néng）的目的。在醫學領域，可用來打印心髒支架等。
3.熱固性塑料
熱固性樹脂如環氧樹脂（zhī）、不飽和（hé）聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、芳雜環（huán）樹脂等具有強度高、耐（nài）火性特（tè）點，非常適（shì）合利用3D打印的粉末激光燒結成（chéng）型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家（jiā）與Wyss生物工程研究所聯手（shǒu）開發出了一種（zhǒng）可3D打印的環氧基熱固性樹脂材料，這種環氧樹脂可3D打印成建築結（jié）構件用在（zài）輕質（zhì）建築中。
新加坡將嚐試用3D打印技術建造公共住宅（圖片來源：南瓜網）
4.光敏樹脂
光敏樹（shù）脂是由聚合物單體與預聚體組成（chéng），由於具有良好的（de）液體（tǐ）流動（dòng）性和瞬間光（guāng）固化特性，使得液態光（guāng）敏樹脂成為3D打印耗材用於（yú）高精度製品打印的首選材（cái）料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表幹性能優異（yì），成型後產品外觀平滑，可呈現透明至半透明磨砂狀（zhuàng）。尤（yóu）其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常（cháng）適合個人桌麵3D打印係統。
3D打（dǎ）印散熱器風扇（shàn）和耳塞套（圖片來源：Stratasys）
5.高分子凝（níng）膠
高分子凝膠具有良好的智能性（xìng），海（hǎi）藻酸鈉、纖維素（sù）、動植物（wù）膠、蛋（dàn）白腖、聚丙烯酸等（děng）高分子凝膠材料用（yòng）於3D打印，在一定的溫度及引發劑（jì）、交聯劑的作用下進行聚合後（hòu），形成特殊的網狀高（gāo）分（fèn）子凝（níng）膠製品。如受離子強度、溫度、電場和化學物質變化時，凝膠的（de）體積（jī）也（yě）會相應地變（biàn）化（huà），用於形狀記憶材料；凝膠溶脹或收縮發生體積轉變，用於（yú）傳感材料；凝（níng）膠網（wǎng）孔的可控性，可（kě）用於智能藥物釋放材料。
3D打（dǎ）印金屬
目前大多數3D打印耗材是塑料，而金屬良好（hǎo）的力學強（qiáng）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）圖片來源：3D Systems
1.黑色金屬（shǔ）
1）不鏽鋼
不鏽（xiù）鋼是最廉價的金屬打印（yìn）材料（liào），經3D打印出的高強度不鏽鋼製（zhì）品表（biǎo）麵略顯（xiǎn）粗糙，且存在麻點。不鏽鋼具有各種不同的光麵和磨砂麵，常被用作珠寶、功能構件和小型雕刻品（pǐn）等（děng）的3D打印。
3D打印的不（bú）鏽鋼飾物
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（jiā）工和傳統加工工藝成本高等因素（sù），目前已成為航（háng）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（yìn）製（zhì）造的飛（fēi）機零件因其加工的工時和成（chéng）本優勢已（yǐ）得到了廣泛應用。
美國利（lì）用3D打（dǎ）印技術製備的IN718鎳基高溫合金轉子
2.有色金（jīn）屬
1）鈦
采用（yòng）3Ｄ打印技（jì）術製造的鈦合金零部件，強度非常高，尺寸精確，能製（zhì）作（zuò）的最小尺寸可達1ｍｍ，而且其零（líng）部件機械性能優於鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦（tài）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（jīn）屬粉末耗材在3D打印汽車、航（háng）空航天和國防工業上（shàng）都將有很廣闊的（de）應用前景。
3D打印的鈦手表（biǎo）和渦輪（lún）葉輪
2）鎂鋁合金
鎂鋁合金因其質輕、強（qiáng）度高的優越性能，在（zài）製造（zào）業的輕量化需求中得（dé）到了（le）大量（liàng）應（yīng）用。在（zài）3D打印技術中，它也毫不例外地成為各大製（zhì）造商（shāng）所中意的備（bèi）選材料。
日本佳能公（gōng）司利用3D打印技術製造出了頂級單反相機鎂（měi）鋁合金（jīn）特殊（shū）曲麵頂蓋
3）镓
镓(Ga)主要（yào）用作液態金屬合金的（de）3D打印材（cái）料，它具有金屬導電性，其黏度類似於水。不同於（yú）汞(Hg)，镓（jiā）既（jì）不含毒性，也不會蒸發。镓（jiā）可用於（yú）柔性和伸縮性（xìng）的（de）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。
3D打印的液態金屬镓
4）镓-銦合金
北卡羅琳州立大學（xué）化學和生物分子工程的副（fù）教授Michael Dickey利用镓(Ga)與銦(In)的液態金屬（shǔ）合金通過3D打印技術（shù）在（zài）室溫下創造了一種三維的自立（lì）式結構，這一奇跡的誕生得益於镓-銦合金在空氣中與氧氣發生反應形成了一（yī）層能夠保持零件形狀的氧（yǎng）化膜。這一技術在3D打印（yìn）中被用（yòng）於（yú）連接（jiē）電子（zǐ）部件。
3D打印的镓-銦液態合（hé）金
5）稀貴金屬
3D打印的（de）產品在時尚界的影響力（lì）越來越（yuè）大（dà）。世界各地的珠寶設計師受益最大的似乎就（jiù）是將3D打印快速原型技術作為一種強大，且可方（fāng）便替代（dài）其他製造方式的創意產業。在飾（shì）品3D打印材料（liào）領域，常用的有金、純銀、黃銅等。
3D打印的葉形金戒指、菌（jun1）絲銀戒指、黃銅戒指
陶 瓷
矽酸鋁陶瓷粉末能夠用於3D打印陶（táo）瓷產品。3D打印（yìn）的該陶瓷製（zhì）品不透水、耐熱(可（kě）達600°C)、可回收、無毒，但其（qí）強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭台、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。
3D打印的陶瓷牛奶托盤和陶瓷茶（chá）杯
複合（hé）材料
美國矽穀Arevo實驗室3D打印出了高強度碳纖維增強複合材（cái）料。相比於（yú）傳統的擠出或注塑（sù）定型方法，3D打印時通過精確控製碳纖維的取向，優化（huà）特定機械、電和熱性（xìng）能，能夠嚴格設定其綜（zōng）合性能。由於3D打（dǎ）印的複合材料零件一次隻能製（zhì）造一層，每一層可（kě）以實現任何所需的纖維（wéi）取向。結合增強聚合物材料打印的複雜形狀零部（bù）件（jiàn）具（jù）有出色的耐高溫和抗化學性能（néng）。
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