常用3D打印材料的應(yīng)用

曉昀

        3D打印是一種快速成型技術(shù),，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ),，使用粉末狀的可粘合材料(如金屬,、塑料等),，通過數(shù)字技術(shù)材料逐層打印來構(gòu)造物體,。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展,，3D打印已走入尋常百姓家。

       3D打印技術(shù)一開始常見于模具制造,、工業(yè)設(shè)計(jì),，后來逐漸普及到建筑、汽車,、航天,、醫(yī)療等領(lǐng)域。3D打印憑借其獨(dú)特的制造技術(shù),，顛覆了傳統(tǒng)制造模式,，也同樣賦予產(chǎn)品新的特性。而3D打印材料是這一技術(shù)發(fā)展過程中的靈魂,，也是實(shí)現(xiàn)D打印技術(shù)突破技術(shù)瓶頸不斷創(chuàng)新的關(guān)鍵,。

     3D打印材料類型可以從不同方面進(jìn)行分類。根據(jù)化學(xué)性能可分為聚合物材料,、金屬材料,、陶瓷材料、復(fù)合材料,，根據(jù)物理狀態(tài)可分為絲狀材料、粉末材料,、液體材料,、薄片材料。在打印技術(shù)方面可以分為熔融沉積成形(FDM),、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS),、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光近凈成形(LENS),、電子束選區(qū)熔化(EBM),、多噴射熔融(MJF),、電弧增材制造(WAAM)等多種工藝。

    目前3D打印經(jīng)常使用的材料主要是聚合物材料,、金屬材料和陶瓷材料,，發(fā)展至今也不斷有新材料加入其中，如人造骨粉,、石膏,、砂糖、細(xì)胞生物原料等,。今天我們一起來了解一些常見的3D打印材料,。

聚合物材料

    光敏樹脂：適用于光固化成形，在特殊的光照(如紫外光)下能夠發(fā)生聚合反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)固化,。用于3D打印的光敏樹脂材料一般要滿足固化前性能穩(wěn)定,、反應(yīng)速度快、黏度適中,、固化收縮小,、固化后具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性以及毒性刺激性小等要求。另外由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同,，對光敏樹脂材料還有諸如低灰分,、無灰分、可生物降解等要求,。

     熱塑性聚合物：如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料(ABS),、聚乳酸(PLA)、尼龍(PA),、聚碳酸酯(PC),、聚苯乙烯(PS)、聚己內(nèi)酯(PCL),、熱塑性聚氨酯(TPU),、聚醚醚酮(PEEK)等都是常見的3D打印用熱塑聚合物材料。

根據(jù)打印方式對材料形態(tài)的要求,，熔融沉積成型方式打印常使用絲材,；激光選區(qū)燒結(jié)常使用粉材。由于工業(yè)上常用的聚合物原料大多以顆粒為主,，制成絲材或粉材都要進(jìn)行二次加工,，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些單位開始研發(fā)以顆粒為原料的3D打印裝備,。

·丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料(ABS)

ABS材料具有良好的熱熔性,、機(jī)械性和抗沖擊性，在3D打印工藝中應(yīng)用廣泛,。它的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有日用品,、工程用品和部分機(jī)械用品,，多彩的顏色選擇也使其成為3D打印機(jī)用戶最喜愛的打印材料。

·聚乳酸(PLA)

PLA是一種環(huán)保型打印材料,，與ABS相比,，打印過程中不需要加熱床配合，更方便使用,，在低端3D打印機(jī)上也可以進(jìn)行使用,，也是使用廣泛的打印材料。

·尼龍(PA)

PA具有良好的力學(xué)性能,，并且耐油性,、耐熱性、耐腐蝕性也十分突出,，是一種性能優(yōu)良的工程塑料,。廣泛應(yīng)用于汽車、電子電氣,、電動工具等行業(yè),。通過加入玻璃微珠、碳纖維,、鋁粉等無機(jī)材料能夠使3D打印材料某些性能提高,，更能滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

·聚己內(nèi)酯(PCL)

PCL材料具有無毒,、低熔點(diǎn)的特性,，適宜用于兒童使用的制品。另外PCL還有良好的生物相容性和降解性,，在醫(yī)療領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用空間,，在4D打印方面也有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?/font>

·熱塑性聚氨酯(TPU)

TPU具有一定的耐磨性、耐油性,，彈性良好,，適用于鞋材、個人消費(fèi)品,、工業(yè)零件等的制造,。結(jié)合3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)成形工藝難以制造的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，使得制件擁有獨(dú)特且可調(diào)控的力學(xué)性能,。

·聚醚醚酮(PEEK)

PEEK具有高熔點(diǎn)和優(yōu)良的力學(xué)性能,，在生物相容性方面也表現(xiàn)良好。目前對3D打印材料的開發(fā)中,，PEEK正是其中的熱點(diǎn)之一。在尤其在醫(yī)療領(lǐng)域中,，3D打印可以根據(jù)患者的不同情況提供個人方案定制,，由于經(jīng)碳纖維增強(qiáng)的PEEK具有與人骨最為接近的楊氏模量,，正成為骨科植入物中的理想材料。

金屬材料

鐵基合金：較常用的鐵基合金有工具鋼,、316L 不銹鋼,、M2 高速鋼、H13 模具鋼和15-5PH 馬氏體時(shí)效鋼等,。鐵基合金使用成本較低,、硬度高、韌性好,，同時(shí)具有良好的機(jī)械加工性,，特別適合于模具制造。

鈦及鈦基合金：鈦及鈦合金以其顯著的比強(qiáng)度高,、耐熱性好,、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn),，成為醫(yī)療器械,、化工設(shè)備、航空航天及運(yùn)動器材等領(lǐng)域的理想材料,。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件尺寸精確,，性能比鍛造工藝生產(chǎn)的同種零件更好。

鎳基合金：鎳基合金是一類發(fā)展最快,、應(yīng)用最廣的高溫合金,，廣泛用于航空航天、石油化工,、船舶,、能源等領(lǐng)域。

鋁合金：鋁合金密度低,，耐腐蝕性能好,，抗疲勞性能較高， 且具有較高的比強(qiáng)度,、比剛度,， 是一類理想的輕量化材料。

陶瓷材料

陶瓷材料具有硬度高,、強(qiáng)度高,、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn),，在航天航空,、電子、汽車、能源,、生物醫(yī)療等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景,。由于其大多數(shù)材料熔點(diǎn)很高甚至沒有準(zhǔn)確熔點(diǎn)，因而在一定程度上還是限度了陶瓷材料的應(yīng)用,。

傳統(tǒng)陶瓷材料：主要包括粘土,、水泥及硅酸鹽玻璃等。傳統(tǒng)陶瓷的原料多為天然的礦物原料,，分布廣泛且價(jià)格低廉,，適合于日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷,、耐火材料,、磨料、建筑材料等的制造,。

新型陶瓷材料：采用高純度原料,、可以人為調(diào)控化學(xué)配比和組織結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷，相比傳統(tǒng)陶瓷在力學(xué)性能上有顯著提高并具有傳統(tǒng)陶瓷不具備的各種聲,、光,、熱、電,、磁功能,。先進(jìn)陶瓷從用途上可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷常用來制造結(jié)構(gòu)零部件,，要求有較高的硬度,、韌性、耐磨性和耐高溫性能,；功能陶瓷則用來制造功能器件,，如壓電陶瓷、介電陶瓷,、鐵電陶瓷,、敏感陶瓷、生物陶瓷等,。

未來第一站

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遠(yuǎn)祥

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