3D打印材料有哪些

2018-09-29

由于完全改变了传统制造工业的方式和原理，作为关键核心技术的3D打印俨然已成为各国制造业先进与否的技术衡量标准。知名3D打印顾问公司Wohlers Associates近日发布的《Wohlers Report 2018》显示：2017年增材制造行业整体增长21%，市场价值超过12.5亿美元。行业数据显示，截至2020年，3D打印市场的价值将高达210亿美元。

　　3D打印制造技术主要由三大要素组成：精准的三维设计；强大的成型设备；满足制品性能和成型工艺的材料。

　　目前，3D打印材料约有200余种，通常对于耐热性、灵活性、稳定性以及敏感性有着极高的要求，均是专门针对3D打印设备和工艺而研发。

　　可见，在3D打印风暴席卷全球的今天，作为其中关键部分的3D打印材料无疑正帮助搅动这场风暴。作为3D打印的“墨水”，3D打印材料开发难度大、成本高，目前仍是构建3D打印生态圈的掣肘因素。

　　俗话说“巧妇难为无米之炊”，3D打印材料之于3D打印的重要性不言而喻！今天，就让我们好好“爆料”一下这些3D打印材料。

　　工程塑料

　　作为当前应用最广泛的一类3D打印材料，工程塑料占商用3D打印材料的90%以上，应用于FDM设备，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。主要包括热塑性材料和热固性材料。目前常见的工程塑料主要有以下几类：

　　ABS：当前最热门的FDM 热塑性塑料之一，通常呈丝状；具有良好的热熔性与冲击强度，是通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。优点在于打印出的部件机械强度好且稳定性高。同时，还可与可溶性支撑材料一起使用。可以进行多种颜色选择，甚至可以自定义颜色，比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技术的辅助下就能提供象牙色、白色、黑色等九种颜色的选择。

　　PC：白色工程塑料，可与FDM技术相结合制造出耐用的模型、工具或最终产品零件。与ABS塑料相比，PC材料具有更好的强度、耐高温性、抗冲击性等优点，因此可以作为最终零部件使用于超强工程制品的应用。使用PC材料制作的样件可直接装配使用，广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

　　PA：机械强度高，且具有一定柔韧性，耐热，耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的强度特性和抗疲劳性，并可抗中度腐蚀性化学品，适于重复闭合、卡扣式和抗振动部件，而Stratasys的FDM Nylon 6同时具有优于其他热塑性塑料的强度和韧性，可经受严格的功能测试，是汽车、航空航天、消费品和工业制造行业中的产品制造商和开发工程师的理想选择。

　　光敏树脂

　　因具有较快的固化速度，光敏树脂表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。因具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。目前主要有以下三类：

　　齐聚物：含有不饱和键的低分子聚合物，种类多，以各类丙烯酸树脂最为常见。齐聚物是光固化材料中最为基础的材料，决定了光敏树脂的黏度、硬度、断裂延伸率等基本物理化学性能。

　　反应性稀释剂：是含有双键的小分子溶剂。反应性稀释剂调节体系的黏度，降低齐聚物的黏度，避免喷头因黏度过高而堵塞。反应性稀释剂还参与到光固化反应之中，影响到聚合反应的动力学、聚合程度以及固化物的物理性质等。

　　光引发剂：最为关键的组分，决定了光固化材料的质量与光固化反应的速度。可根据引发辐射的能量不同而分为紫外线引发剂和可见光引发剂。由于紫外光引发剂具有存储稳定的优点，现在3D 打印市场上所用的光引发剂都是紫外光引发剂。

　　金属材料

　　3D打印金属材料以金属粉末、金属箔以及金属丝的形式存在。金属材料现阶段市场份额较小，但扩张速度最快。

　　金属材料可以用于选择性激光烧结（SLS）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔炼（EMB）等工业级别的3D打印机。若把金属材料加入到某些工程塑料材料（如ABS）中去，则可制成适用于FDM 机型的具有一定金属属性的线材。

　　在3D打印金属材料的过程中，需要考虑金属的固液相变、表面扩散和热传导等因素，而金属粉末的形态直接影响3D打印产品的质量。如今常见的金属材料包括钛合金、不锈钢、钴铬合金和铝合金等材料。金、银等贵金属粉末材料偶尔也会被用于打印首饰或艺术品等。

　　陶瓷材料

　　硅酸铝陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷产品，一般呈粉末状，通常用于选择性激光烧结（SLS）打印机。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。

　　陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比，会直接影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多，烧结比较容易，但在后处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度。粘结剂份量少，则不易烧结成形。

　　陶瓷材料具有高强度、耐高温和耐腐蚀等优点，具有应用于航空航天和汽车等领域的潜能。同时，陶瓷材料可以选择的颜色很多，可打印出形态逼真、色彩丰富的产品，是工艺品、建筑和卫浴产品的理想选择。

　　生物用高分子材料

　　生物3D打印材料主要包括支架材料与直接细胞打印材料。支架类3D打印材料需满足：良好的生物相容性，对细胞及机体无毒害；良好的生物降解特性，可完全被机体降解吸收或排出体外；良好的机械特性，具备一定的力学强度及可塑性，结构可长时间保持稳定，具有较高的孔隙率；良好的表面相容性，利于细胞在材料表面黏附与生长。主要分为以下几类：

　　PLA：3D打印起初使用得最好的原材料，具有多种半透明色和光泽质感。它源于可再生资源—玉米淀粉和甘蔗，无毒无味，是能够降解的环保型塑料。

　　PETG：具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高，兼具PLA和ABS的优点。

　　PCL：是一种生物可降解聚酯，熔点较低，常常用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时还具有形状记忆性。在医学领域，可用来打印心脏支架等。

　　其他3D打印材料

　　碳纤维材料是一种新兴的3D打印材料，强度是钢的五倍而重量却只有其1/3，且还具有耐高温及耐腐蚀等优点。

　　导电打印材料是热塑性材料的一种，可用于制造具有电子或是机械功能的3D打印产品，如电路板、手电筒以及可穿戴的照明设备等。