超全面3D打印材料大解析

1、 超全面3d打印材料大解析 一、概述3d打印，是根據(jù)所設(shè)計的3d模型，通過3d打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作增材制造。3d打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學與化學等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。3d打印制造技術(shù)主要由3個關(guān)鍵要素組成：1)是產(chǎn)品需要進行精準的三維設(shè)計，運用計算機輔助設(shè)計(cad)工具對產(chǎn)品全方位精準定位；2）是需要強大的成型設(shè)備；3）是需要滿足制品性能和成型工藝的材料。由于3d打印制造技術(shù)完全改變了傳統(tǒng)制造工業(yè)的方式和原理，是對傳統(tǒng)制造模式的一種顛覆，因此3d打印材料成

2、為限制3d打印發(fā)展的主要瓶頸，也是3d打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點和難點所在，只有進行更多新材料的開發(fā)才能拓展3d打印技術(shù)的應用領(lǐng)域。目前，3d打印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材來自w料和復合材料等。二、3d打印聚合物1工程塑料工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3d打印材料，常見的有丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(abs)、聚酰胺(pa)、聚碳酸酯(pc)、聚苯砜(ppsf)、聚醚醚酮(peek)等。1) absabs材料因具有良好的熱熔性、沖擊強度，成為通過熔融沉積3d打印的首選工程塑料。目前主要

3、是將abs預制成絲、粉末化后使用，應用范圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機械用品。近年來abs不但在應用領(lǐng)域逐步擴大，而且性能不斷提升，借助abs強大的粘接性、強度通過對abs的改性，使其作為3d打印材料在更廣范圍得到應用。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(fā)的最新abs材料abs-m30，專為3d打印制造設(shè)計，機械性能比傳統(tǒng)的abs材料提高了67%，從而擴大了abs的應用范圍。2) papa強度高，同時具有一定的柔韌性，因此可直接利用3d打印制造設(shè)備零部件。利用3d打印制造的pa碳纖維復合塑料樹脂零件強度韌性很

4、高，可用于機械工具代替金屬工具。另外，由于pa的粘接性和粉末特性，可與陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合，通過粘接實現(xiàn)陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3d打印。索爾維公司作為全球pa工程塑料的專家，基于pa的工程塑料進行3d打印樣件，用于發(fā)動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。用工程塑料替代傳統(tǒng)的金屬材料，最終解決了汽車的輕量化問題。3) pcpc具有優(yōu)異的強度，其強度比abs材料高出6096左右，因此適合于超強工程制品的應用。索爾維公司作為全球pa工程塑料的專家，基于pa的工程塑料進行3d打印樣件，用于發(fā)動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。德國拜耳公司開發(fā)的pc2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭

5、燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機的機身、機械齒輪等異型構(gòu)件的3d打印制造。4) ppfsppsf具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學品性，在各種快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復合處理，ppsf顯示出極高的強度，可用于3d打印制造高承受負荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。5) peekpeek具有優(yōu)異的耐磨性、生物相容性、化學穩(wěn)定性以及楊氏模量最接近人骨等優(yōu)點，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體?；谌廴诔练e成型原理的3d打印技術(shù)安全方便、無需使用激光器、后處理簡單，通過與peek材料結(jié)合制造仿生人工骨。6) epep(elasto plastic)即彈性塑料，是s

6、hapeways公司最新研制的一種3d打印原材料，它能夠避免用abs打印的穿戴物品或可變形類產(chǎn)品存在的脆性問題。顧名思義，elasto plastic是一種新型柔軟的3d打印材料，在進行塑形時和abs -樣均采用“逐層燒結(jié)”原理，但打印的產(chǎn)品卻具有相當好的彈性，易于恢復形變。這種材料可用于制作像3d打印鞋、手機殼和3d打印衣物等產(chǎn)品。7) endurstratasys公司推出一款全新的3d打印材料endur，它是一種先進的仿聚丙烯材料，可滿足各種不同領(lǐng)域的應用需求。endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，用其打印的產(chǎn)品表面質(zhì)量佳，且尺寸穩(wěn)定性好，不易收縮。endur具有出色的仿聚丙烯性

7、能，能夠用于打印運動部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器。2生物塑料3d打印生物塑料主要有聚乳酸(pla)、聚對苯二甲酸乙二醇酯一l，4_環(huán)己烷二甲醇酯(petg)、聚一羥基丁酸酯(phb)、聚一羥基戊酸酯(phbv)、聚丁二酸一丁二醇酯(pbs)、聚己內(nèi)酯(pcl)等，具有良好的可生物降解性。1) plapla (poly lactic acid)即聚乳酸可能是3d打印起初使用得最好的原材料，它具有多種半透明色和光澤質(zhì)感。作為一種環(huán)境友好型塑料，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它源于可再生資源玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生資源化石燃料。新加坡南洋理工大學的tan k h等在應用pla制造組織工程

8、支架方面的研究中，采用3d技術(shù)成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的pla組織工程支架，通過對該支架進行組織分析，發(fā)現(xiàn)其具有生長能力。2) petgpetg是采用甘蔗乙烯生產(chǎn)的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。具有出眾的熱成型性、堅韌性與耐候性，熱成型周期短、溫度低、成品率高。petg作為一種新型的3d打印材料，兼具pla和abs的優(yōu)點。在3d打印時，材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性，無需在密閉空間里貯存。由于petg的收縮率低、溫度低，在打印過程中幾乎沒有氣味，使得petg在3d打印領(lǐng)域產(chǎn)品具有更為廣闊的開發(fā)應用前景。3) pclpcl是一種生物可降解聚酯，熔點較低，只有60

9、左右。與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備、縫合劑等，同時，pcl還具有形狀記憶性。在3d打印中，由于它熔點低，所以并不需要很高的打印溫度，從而達到節(jié)能的目的。在醫(yī)學領(lǐng)域，可用來打印心臟支架等。3熱固性塑料熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、芳雜環(huán)樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用3d打印的粉末激光燒結(jié)成型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家與wyss生物工程研究所聯(lián)手開發(fā)出了一種可3d打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種環(huán)氧樹脂可3d打印成建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中。4光敏樹脂光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組成，由于具

10、有良好的液體流動性和瞬間光固化特性，使得液態(tài)光敏樹脂成為3d打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，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。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個人桌面3d打印系統(tǒng)。5高分子凝膠高分子凝膠具有良好的智能性，海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3d打印，在一定的溫度及引發(fā)劑、交聯(lián)劑的作用下進行聚合后，形成特殊的網(wǎng)狀高分子凝膠制品。如受離子強度、溫度、電場和化學物質(zhì)變化時，凝膠的體積也會相應地變化，用于形狀記憶材料；凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉(zhuǎn)變，用于傳感材料；凝膠網(wǎng)孔的可控性，可用

11、于智能藥物釋放材料。三、3d打印金屬目前大多數(shù)3d打印耗材是塑料，而金屬良好的力學強度和導電性使得研究人員對金屬物品的打印極為感興趣。1黑色金屬1)不銹鋼不銹鋼是最廉價的金屬打印材料，經(jīng)3d打印出的高強度不銹鋼制品表面略顯粗糙，且存在麻點。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等的3d打印。2)高溫合金高溫合金因其強度高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、不易成型加工和傳統(tǒng)加工工藝成本高等因素，目前已成為航空工業(yè)應用的主要3d打印材料。隨著3d打印技術(shù)的長期研究和進一步發(fā)展，3d打印制造的飛機零件因其加工的工時和成本優(yōu)勢已得到了廣泛應用。2有色金屬1)鈦采用3d打印技術(shù)制造的鈦合金零

12、部件，強度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達imm，而且其零部件機械性能優(yōu)于鍛造工藝。英國的metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3d打印汽車、航空航天和國防工業(yè)上都將有很廣闊的應用前景。2)鎂鋁合金鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強度高的優(yōu)越性能，在制造業(yè)的輕量化需求中得到了大量應用。在3d打印技術(shù)中，它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。日本佳能公司利用3d打印技術(shù)制造出了頂級單反相機鎂鋁合金特殊曲面頂蓋3)鎵鎵(ga)主要用作液態(tài)金屬合金的3d打印材料，它具有金屬導電性，其黏度類似于水。不同于汞(hg)，鎵既不含毒性，也不會蒸發(fā)。鎵

13、可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，液態(tài)金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設(shè)備、超伸縮電線和軟光學部件上己得到了應用。3)鎵一銦合金北卡羅琳州立大學化學和生物分子工程的副教授michael dickey利用鎵(ga)與銦(in)的液態(tài)金屬合金通過3d打印技術(shù)在室溫下創(chuàng)造了一種三維的自立式結(jié)構(gòu)，這一奇跡的誕生得益于鎵銦合金在空氣中與氧氣發(fā)生反應形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術(shù)在3d打印中被用于連接電子部件。4)稀貴金屬3d打印的產(chǎn)品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設(shè)計師受益最大的似乎就是將3d打印快速原型技術(shù)作為一種強大，且可方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。在飾品3d打印材料領(lǐng)域，常用的有金、純銀、黃銅等。四、陶瓷硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3d打印陶瓷產(chǎn)品。3d打印的該陶瓷制品不透水、耐熱（可達600）、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）