增材制造與創(chuàng)新設計：從概念到產(chǎn)品 課件 第2章 增材制造技術、設備及材料

第2章增材制造技術、設備及材料增材制造與創(chuàng)新設計：從概念到產(chǎn)品目錄contents3212.3增材制造常用材料2.2主流設備介紹2.1增材制造主流技術那么增材制造現(xiàn)在用的主流技術有哪些？它的工作原理是什么？工廠使用什么主流設備？使用的哪些材料與我們生活息息相關？案例導入上一章我們走進了增材制造的世界，了解到增材制造技術的歷史脈絡，優(yōu)缺點及產(chǎn)業(yè)應用前景。本章學習目標1、認知目標

掌握熔融沉積成型技術、光固化技術、粉末融化技術等主要增材制造技術基本原理及特點。

理解增材制造工藝技術路線圖，掌握增材制造工藝流程。

了解金屬、塑料、陶瓷、生物醫(yī)療等不同領域3D打印機的特性、主流使用技術能夠根據(jù)需要選擇合適的設備進行產(chǎn)品設計與制造。

了解增材制造常用材料的種類與性能，包括金屬、有機高分子、無機非金屬、復合材料等常用材料的特性，包括強度、耐磨性、耐高溫性等。2、能力目標

能夠根據(jù)產(chǎn)品設計需求和加工特性以及增材制造技術工藝特點去選擇合適的材料、成型工藝和打印設備。3、素養(yǎng)目標

理解增材制造技術與設備在實際產(chǎn)品設計中的應用，培養(yǎng)對增材制造技術與設備發(fā)展趨勢的敏感度，了解當前行業(yè)前沿技術，為未來的產(chǎn)品設計與創(chuàng)新奠定基礎。2.1增材制造主流技術制造技術按照在制造過程中材料質量的增加或減少，可分為三種技術：等材制造，減材制造及增材制造技術。而增材制造技術由于使用材料不同和成型原理不同，目前市場上的增材制造技術又主要分為材料擠出技術、光固化技術、粉末熔化技術、材料噴射技術、粘結劑噴射技術和直接能量沉積技術等。不同技術所使用送料裝置也是不同的，一般根據(jù)輸送材料的狀態(tài)分為，擠出粘流態(tài)，液態(tài)樹脂固化，粉末燒結或粉末膠粘等，如FDM機的噴頭擠出裝置，通過步進電機控制熱塑性材料的擠出量，而SLS機器則是由撲粉輥和刮刀來完成撲粉過程等。2.1.1增材制造技術分類熔融沉積成型（FDM）作為一種快速成型技術，其工作原理是將熱塑性塑料加熱熔化后，通過計算機數(shù)控的噴頭按照CAD分層截面數(shù)據(jù)進行二維填充并噴出，隨后噴頭根據(jù)零件的截面輪廓和填充路徑移動，同時將熔化材料擠出。這些材料迅速固化并層疊粘結，每層厚度控制在0.025-0.762mm之間，一層截面成型完成后，工作臺下降定高度(或平臺不變，打印頭提升一定高度)，再進行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終逐層堆疊成所需零件，該類技術設備的打印精度在0.1mm,由于切片層厚限制，很難匹配打印精度與打印實效的關系。1、熔融沉積成型快速成型技術（FDM）

（1）SLA技術立體光刻技術（SLA）即Stereolithography的簡稱，它利用裝滿半透明樹脂的槽和建造平臺進行操作。當平臺被樹脂覆蓋時，激光器會掃描圖形界面，使液態(tài)光敏樹脂聚合硬化。每完成一層樹脂的激光掃描和固化后，平臺下降一定高度，以便新樹脂覆蓋打印物體，通過逐層重復此過程，最終完成零件打印。SLA技術的精度非常高，可以達到微米級別。這種高精度使得SLA技術在制造多種模具、模型等領域具有顯著優(yōu)勢，特別是在需要高精度和良好表面質量的領域，如醫(yī)療、牙科、珠寶、藝術和設計等。2、光固化技術(SLA；DLP；CLIP)（2）DLP技術DLP技術與SLA技術在打印原理和機器外形上相似，但關鍵在于DLP使用高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀進行整層液態(tài)光固化樹脂的曝光，實現(xiàn)快速片狀固化，而非SLA的激光逐點掃描，因此DLP打印速度更快。此外，DLP技術展現(xiàn)出高精度，其成型細節(jié)和表面光潔度與注塑成型的耐用塑料部件相匹敵。2、光固化技術(SLA；DLP；CLIP)（3）CLIP技術在2015年3月，美國Carbon3D公司推出了CLIP技術，即“連續(xù)液面生長技術”。此技術通過特氟龍透氧材料和氧氣形成液態(tài)抑制固化層，確保固化過程的連續(xù)性，從而大幅提升打印速度，最快可達每小時500毫米，遠超傳統(tǒng)3D打印技術。CLIP與DLP在制造方式上相似，但CLIP依賴建造平臺在Z軸的連續(xù)運動，無需中途停頓鋪設樹脂。光固化技術使用的光敏樹脂由聚合物單體、預聚體及光引發(fā)劑組成，經(jīng)UV光照射后發(fā)生聚合反應并固化。2、光固化技術(SLA；DLP；CLIP)(1)SLS技術選區(qū)激光燒結（SLS）又稱為SelectiveLaserSintering，與SLA技術相似，也使用激光作為能源。不過，SLS使用的不是液態(tài)的光敏樹脂，而是粉末。該技術通過高能量激光使粉末產(chǎn)生高溫，并使相鄰的粉末發(fā)生燒結反應，連接在一起。每燒結一層，構建平臺會下降一個高度，新的粉末被鋪在表面。激光掃描零件的橫截面，不斷重復這一過程，從而實現(xiàn)立體制造。3、粉末熔化技術(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)(2)SLM/DMLS技術在1995年，德國Fraunhofer激光器研究（FraunhoferInstituteforLaserTechnology，ILT）首次提出了選擇性激光熔融技術（SelectiveLaserMelting，SLM）。這種技術能夠直接成型出近乎完全致密的金屬零件。選區(qū)激光熔化（SLM）和直接金屬燒結技術（DMLS）與SLS制造零件的原理相似，但主要的區(qū)別在于這兩種技術主要用于生產(chǎn)金屬部件。具體來說，SLM技術用于制造純金屬部件，而DMLS則用于打印合金零件。3、粉末熔化技術(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)（3）電子束熔化技術（EBM）與其他粉末熔化技術相比，電子束熔化技術（ElectronBeamMelting，電子束熔化，EBM）采用高能電子束來熔化金屬粉末而非激光，聚焦電子束在粉末床表面的特定區(qū)域掃描實現(xiàn)局部熔化和凝固實現(xiàn)打印。3、粉末熔化技術(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)（4）多射流熔融技術（MJF）多射流熔融技術與其他粉末熔化技術有所不同，它增加了一個額外的步驟，即噴射一種用于細節(jié)處理的材料。首先，鋪設粉末，然后沿著圖形截面噴射溶劑，在細節(jié)部位同時噴射精細劑。內(nèi)部的粉末會融合在一起，最后通過加熱源進行固化。精細劑的作用是降低零件邊沿的融合強度，從而保持零件的銳利或平滑的表面特征。這一系列步驟會不斷重復，直到零件制造完成。3、粉末熔化技術(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)(1)材料噴射技術材料噴射技術通常用來和2D噴墨打印進行比較，采用光聚合物、金屬粉末或蠟進行光照或者升溫固化的原理來一層層制造零件。材料噴射的過程允許在同一個零件上采用多種不同的材料，以此可以在建造支撐使選擇不同的材料。材料噴射技術是從打印頭的數(shù)百個微噴嘴中分配光敏樹脂來逐層打印零件，與其他點沉積技術相比，噴射技術采用快速、線性軌跡沉積建造，當液滴沉積在建造平臺上后，采用UV光固化。4、材料噴射技術(2)納米粒子噴射技術（NPJ）納米粒子噴射技術，也被稱為NanoParticleJetting（NPJ）技術，納米粒子噴射技術將包裹有納米金屬粒子或支撐粒子的液體裝入打印機并噴射在建造平臺上，通過高溫使液體蒸發(fā)留下金屬部分。NPJ是一種利用納米級金屬或陶瓷顆粒進行3D打印的技術。這種技術可以打印出具有超高精度和細節(jié)水平的部件。4、材料噴射技術(3)按需噴墨技術（DOD）按需噴墨打印機有2個打印頭，一個沉積構建材料（通常是蠟狀材料），另一個沉積可溶解的支撐材料。與傳統(tǒng)的原型技術類似，DOD打印機按照預設路徑噴射材料（以點的形式）來逐層構建部件的橫截面。這些打印機還使用飛輪切割器，在制造每一層之后切除構造區(qū)域，以確保在打印下一層之前表面完全平整。DOD技術通常用于制造用于失蠟鑄造/熔模鑄造和模具制造的“蠟狀”圖案。按需噴墨技術的精度是一個相對復雜的問題，因為它受到多種因素的影響，包括設備性能、噴頭設計、墨滴大小、驅動電壓、噴射速度等。因此，無法給出一個統(tǒng)一的、具體的精度數(shù)值。一般來說，按需噴墨技術可以實現(xiàn)較高的打印精度。墨滴大小通?？梢钥刂圃?0~500μm（2~100PL）的范圍內(nèi)，甚至可以達到10μm以內(nèi)，這對于大多數(shù)應用來說是足夠的。同時，通過灰度（可變點）技術，同一個噴嘴可以噴射出各種不同的墨滴大小，從而進一步提高打印的精度和靈活性。4、材料噴射技術粘結劑噴射技術是通過向粉層零件橫截面噴射粘結劑來粘接零件的技術。該技術類似于SLS都需要初始粉層，打印頭通過移動在零件橫截面噴射膠水（噴頭直徑通常在80μm）來制造零件，一層打印完畢之后分成降低一個層厚重新鋪粉再噴射膠水，重復該過程直到零件制作完畢。制作完畢之后零件在粉末中防止一點時間固化可提高強度，之后取出零件采用壓縮空氣去除未粘接的粉末。有時可加入浸漬劑來提高機械性能，該技術的主要優(yōu)點是噴嘴可以通過混合多種顏色來打印出具有復雜顏色特點的幾何形狀。5、粘結劑噴射技術（Binderjetting/3DP）直接能量沉積通過在材料沉積時熔化材料來制造零件，主要用激光融化金屬粉末或金屬絲，因此也稱為金屬沉積。(1)LENS技術LENS技術是一種利用高能激光束將金屬粉末熔化并形成金屬熔池的近凈成形技術。通過激光光學部分、粉末噴嘴和惰性氣體裝置構成的沉積頭噴出粉末，在惰性氣體保護下被激光熔化，從而在建造平臺上制造零件。建造平臺通常為金屬基板，零件在該基板上生長出來。6、直接能量沉積技術（LENS、EBAM）(2)EBAM技術電子束增材制造利用電子束熔化金屬粉末或焊絲來制造零件，與LENS技術的加工原理相似。電子束增材制造具有更高的效率，并且需要在真空環(huán)境下工作，最初主要用于空間技術領域。EBAM是電子束焊接技術在增材制造領域的應用，它利用高能電子束在真空環(huán)境中轟擊金屬表面形成熔池。金屬絲材在電子束的加熱下融化，并形成熔滴進入熔池。通過逐層堆積，實現(xiàn)金屬材料的冶金結合，最終制造出金屬零件或毛坯。6、直接能量沉積技術（LENS、EBAM）總的來說，增材制造技術的原理各有不同，使用的材料和成型方法也各不相同。因此，應該根據(jù)打印需求和產(chǎn)品特點選擇性價比高的成型方法。常規(guī)打印技術及應用范圍主要用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、專業(yè)設計（產(chǎn)品設計和建筑設計的模型制造）、外科（量身定做的矯正牙套、假牙、助聽器）等領域。目前，3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，行業(yè)分布越來越密集，整體呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。作為前沿性、先導性的新興技術，3D打印技術打破了傳統(tǒng)工藝和行業(yè)制造的限制。這種技術通過節(jié)約資源、降低成本、提高精度的優(yōu)勢，成為了傳統(tǒng)工藝無法比擬的新型制造工藝。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，未來將有更多的行業(yè)和領域受益于這種新興技術，推動整個社會的進步和發(fā)展。增材制造技術的發(fā)展趨勢是什么？3D打印技術的工藝流程主要由三部分組成：1.工藝規(guī)劃，2.過程處理，3.后期處理。2.1.23D打印工藝技術路線2.2主流設備介紹金屬3D打印機常用于工業(yè)領域，主要采用了以下幾種技術：選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔化（EBM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、金屬粘結噴射（MBJ）、熔融沉積成型（FDM）、選區(qū)激光燒結（SLS）、直接能量沉積技術（LENS、EBAM）、粘接劑噴射技術。打印金屬是借助激光加熱把一層層的金屬粉末“熔為一體”。金屬3D打印機廣泛應用于制造行業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)等需要堅固耐用、強度要求高的場合。這種技術在珠寶加工廠使用的頻率也越來越高?，F(xiàn)階段通過這種技術打印出來的金屬部件還存在一些問題，如存在氣孔的現(xiàn)象需要解決。2.2.1金屬3D打印機塑料3D打印機是一種能夠使用塑料材料逐層堆積，從而制造出三維實體物體的設備。在塑料3D打印過程中，首先將塑料絲材加熱至半熔融狀態(tài)，然后通過擠出機將熔化的材料按照預設的路徑逐層堆積在打印平臺上。隨著材料的逐層堆積，最終形成一個完整的三維實體。塑料3D打印機具有非常廣泛的應用領域，如產(chǎn)品設計、原型制作、模型展示、藝術創(chuàng)作、教育培訓等。它可以快速、準確地制作出各種復雜的塑料零件和產(chǎn)品，從而極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，2.2.2塑料3D打印機陶瓷3D打印機使用黏土或陶瓷粉作為原料，并通過擠出、激光燒結，或者液體粘結劑等方式進行造型固定。通過它打印出來的陶瓷物品擁有上萬年的使用壽命。一般的工業(yè)陶瓷可用于制造高度耐磨、耐溫、抗生化產(chǎn)品。當然，它的價格十分昂貴，暫時還無法進入家庭領域。2.2.3陶瓷3D打印機隨著3D打印技術的發(fā)展和精準化、個性化醫(yī)療需求的增長，3D打印技術在生物醫(yī)療行業(yè)方面的應用在廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展。在應用的廣度方面，從最初的醫(yī)療模型快逮制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接打印助聽器外殼、植入物、復雜手術器械和藥品。在深度方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。2.2.4生物醫(yī)療3D打印機2.2.5其它3D打印機1、建筑3D打印機2、服裝3D打印機3、紙張3D打印機4、教育用3D打印機5、食品3D打印機2.3增材制造常用材料俗語有云：“巧婦難為無米之炊。”3D打印作為高科技同樣遵循著這一道理。其關鍵并非在技術的復雜程度，而在所使用的材料上。一定程度上，打印材料是打印技術不可或缺的物質基礎，決定了最終的成品屬性。現(xiàn)今增材制造材料的發(fā)展現(xiàn)狀：金屬、聚合物、陶瓷和天然材料已經(jīng)用于不同的增材制造工藝中，基于這些同質材料系統(tǒng)，已經(jīng)成功地建立了使用異質材料(包括各種復合材料和多種材料)的工藝，以便獲得更高的性能、更多的功能甚至定制的性能，包括例如阻燃聚合物、直接金屬和陶瓷復合材料，未來還會發(fā)展具有某些響應特性的智能材料。隨著3D打印及相關支持產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，先進的3D打印技術不斷涌現(xiàn)，所需的材料種類也在不斷更新迭代。本文將3D打印先進材料分為金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料三大類，并分別闡述各先進材料種類下的國內(nèi)外先進3D打印技術的最新研究成果，以期對我國3D打印先進材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到創(chuàng)新引領作用。金屬材料3D打印是以金屬為原料，以金屬粉末、絲材等為形式，在激光、電子束等高溫熱源下快速完成熔化、凝固、成形的制造技術。常用于3D打印的金屬材料包括鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金和難熔合金等。2.2.1金屬材料1、鈦合金：鈦是自20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要結構金屬。鈦合金強度高、耐蝕性能好、耐熱性能強。用于3D打印的鈦合金主要為粉末材料，目前國內(nèi)航空航天和醫(yī)療領域常用TA1、TC4和TA15等牌號的鈦合金粉末，粉末質量和批次穩(wěn)定性已經(jīng)得到充分驗證。為滿足應用領域的需求，研究人員也在不斷開發(fā)出新型鈦合金及其復合材料。內(nèi)蒙古工業(yè)大學王坤教授團隊研發(fā)了針對鈦合金膝關節(jié)打印件的磨粒流處理工藝，提出了基于鈦合金膝關節(jié)打印件的過磨優(yōu)化結構與切削量預測模型，運用非牛頓流體的carreau-yasuda方程進行仿真模擬，將仿真流道壓力與加工循環(huán)次數(shù)結合建立了鈦合金膝關節(jié)打印件切削量預測模型，并試驗驗證了模型的有效性。結果表明：拋光試驗的結果與數(shù)值模擬結果具有較高吻合度，鈦合金打印件過磨的現(xiàn)象出現(xiàn)在數(shù)值模擬的壓力區(qū)域最大處。在加工壓力為10MPa、加工循環(huán)次數(shù)為100次的工況下，鈦合金膝關節(jié)打印件內(nèi)外側預測模型均方根誤差分別為2.47%和2.80%，切削量預測模型的擬合度較好，明顯改善了流道的壓力分布，有效避免鈦合金膝關節(jié)打印件外側出現(xiàn)過磨現(xiàn)象。2、高溫合金：高溫合金是服役于600℃以上高溫環(huán)境，能承受苛刻的機械應力，并具有良好組織穩(wěn)定性的一類合金。高溫合金是航空發(fā)動機渦輪葉片、渦輪盤、燃燒室等熱端部件的主要材料。目前國內(nèi)3D打印廠商應用的高溫合金原材料主要為鎳基和鈷基合金粉末，牌號包括GH3230、GH3536、GH3625、GH4169、GH4099、GH5188等。隨著工程化應用程度的不斷加深，具有良好抗氧化性能和鑄造性能的高溫合金材料逐步進入人們視野。3、鐵基合金：應用于3D打印的鐵基合金大多是不銹鋼、模具鋼粉末，在核電領域的SLM和DED工藝產(chǎn)品中較為常見。目前國內(nèi)外學者對鐵基合金的研究方向集中于強化其耐磨性能。也有企業(yè)研發(fā)出高Mn-Ni型雙相不銹鋼合金粉末，大幅度提升了不銹鋼的耐蝕性能和耐磨性能，如圖打印的鐵基合金含油軸承。4、鋁合金：傳統(tǒng)用于3D打印的鋁合金的室溫強度僅有300MPa左右，加入某些微量元素可顯著提高鋁合金的室溫強度。中強度和高強度的鋁合金有望替代結構鈦合金和不銹鋼，作為航空航天領域中的重要零部件。5、難熔合金：難熔金屬包括鎢、鉬、鉭、鈮等金屬，其最大的共同特點是熔點高，且每種金屬也有各自的特點。鎢具有高硬度以及良好的射線屏蔽性能，熔點為3410℃，被廣泛應用于電子行業(yè)、核工業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)。鉭具有耐腐蝕性能以及優(yōu)良的電性能，主要被應用于鉭電容制造和醫(yī)療植入物等，其中純鉭植入物如圖所示。采用3D打印方法生產(chǎn)的CT設備鎢準直器已經(jīng)在國外長期批量應用，該準直器的某些關鍵性能已超過傳統(tǒng)工藝制備的準直器。難熔金屬熔點較高，成形能量輸入較高，會形成較多孔洞缺陷，一般通過調(diào)整工藝參數(shù)和熱等靜壓等方式解決。有機高分子材料包括專用樹脂、超高分子量聚合物等材料，主要以線材為主，通過特定的熱源形式完成。國內(nèi)外材料廠商利用聚乳酸（PLA）、PETG等3D打印線材合成機理，對傳統(tǒng)線材進行化學改性，提升材料韌性和強度等指標。聚醚醚酮（PEEK）材料的改性則采取碳纖維等增強基的復合化處理。2.3.2有機高分子材料1、聚乳酸（PLA）：聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料，由聚乳酸制成的產(chǎn)品除了能夠被生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性也非常好，還具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性，主要用于服飾、建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。2、PETG：PETG材料是一種透明的非晶型共聚酯，可采用傳統(tǒng)的擠出、注塑、吹塑及吸塑等成形方法，也可以用于3D打印成形，其二次加工性能優(yōu)良，被廣泛用于塑料制品、醫(yī)療保健品、包裝制品等領域。3、聚醚醚酮（PEEK)：聚醚醚酮（PEEK）是高溫熱塑性特種工程塑料，具有高強度、耐高溫、抗化學腐蝕、耐磨損、自潤滑、生物相容性、阻燃等優(yōu)異性能，在汽車、飛機制造、電子電器以及醫(yī)療等領域有一定應用。純PEEK的楊氏模量為3.86±0.72GPa，經(jīng)碳纖維增強后可達21.1±2.3GPa，與人骨的楊氏模量最為接近，可以有效避免植入人體后與人骨產(chǎn)生的應力遮擋以及松動現(xiàn)象，是一種理想的骨科植入物材料。4、ABS材料：ABS材料因其卓越的熱熔性和沖擊強度而在熔融沉積成型3D打印工藝中得到廣泛選擇。ABS通常會經(jīng)過預制成絲或粉末化處理后使用，其廣泛應用幾乎覆蓋了所有日常用品、工程產(chǎn)品以及部分機械零部件。ABS材質在顏色的選擇方面表現(xiàn)得多姿多彩，擁有白色、象牙白、黑色、紅色、藍色、深灰色、玫瑰紅等多種豐富選項，廣泛運用于汽車、家電以及電子消費品等領域。5、PC材料：PC（聚碳酸酯）材料被視為一種真正的熱塑性材料，其特點包括高強度、耐高溫、抗沖擊和抗彎曲，相較于ABS材料其強度更高，提升了60%?？梢宰鳛樽罱K零部件使用甚至超強工程制品的應用。德國拜耳公司開發(fā)的PC2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機的機身、機械齒輪等異型構件的3D打印制造。6、PA材料：PA材料表現(xiàn)出高強度，但同時具備一定柔韌性，可直接應用于3D打印制造設備零件。利用3D打印技術制造的PA碳纖維復合塑料樹脂零件不僅具有卓越韌性，還能替代機械工具中的金屬部件。作為全球知名的PA工程塑料專家，索爾維公司以PA工程塑料為基礎進行3D打印樣件，廣泛運用于發(fā)動機周邊零部件，如門把手套件、零件、剎車踏板等。成功采用PA材料替代傳統(tǒng)金屬，解決了汽車輕量化的挑戰(zhàn)。7、PPSF材料：PPSF材料在所有熱塑性材料中具有最高強度、最優(yōu)耐熱性和卓越抗腐蝕性。由于這些出色的性能，PPSF材料在航空航天、交通工具以及醫(yī)療行業(yè)得到廣泛應用，通常被選用作最終零部件。PPSF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之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復合處理，PPSF材料能夠表現(xiàn)出極高的強度，可用于3D打印制造該承受負荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。8、EP材料：EP（ElastoPlastic）即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料，它能避免用ABS打印的穿戴物品或者可變形類產(chǎn)品存在的脆弱性問題。EP材料具備極其柔軟的特性，其塑形過程采用了類似ABS的“逐層燒結”原理，但由此制造的產(chǎn)品表現(xiàn)出卓越的彈性，并在受到變形后容易恢復原狀。該材料適用于制作各種產(chǎn)品，包括但不限于3D打印鞋、手機殼、以及3D打印衣物等。9、光敏樹脂：光敏樹脂，又稱光固化樹脂，屬于一類在受光照射后能夠在短時間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學變化，從而實現(xiàn)交聯(lián)固化的低聚物。在口腔科學領域，光固化復合樹脂被廣泛用于充填和修復材料。其色澤美觀且具備一定的抗壓強度，在臨床應用中扮演關鍵角色，特別適用于前牙各類缺損和窩洞修復和器官模型打印，能夠取得令人滿意的效果。10、高分子凝膠：在3D打印中，高分子凝膠材料包括海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨和聚丙烯酸等。這些材料表現(xiàn)出卓越的智能性能。在特定溫度、引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用下，這些材料經(jīng)歷聚合反應，形成具有特殊網(wǎng)狀結構的高分子凝膠制品。受離子強度、溫度、電場和化學物質等因素的影響時，凝膠的體積也相應變化，用于形狀記憶材料。凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉變，用于傳感材料；凝膠網(wǎng)孔的可控性，可用于智能藥物釋放材料。本節(jié)提及的無機非金屬材料主要為3D打印工藝中常用的砂型材料和陶瓷材料。由于國內(nèi)粘結劑噴射和陶瓷光固化等工藝起步較晚，因此大多數(shù)的砂型材料和部分陶瓷材料的研究主要圍繞工藝性驗證開展。現(xiàn)階段，對應工藝的大多數(shù)材料還處于攻關狀態(tài)，而SiC陶瓷以及磷酸三鈣陶瓷等材料的研究已進入復合強化階段。2.3.3無機非金屬材料1、砂型材料：砂型材料主要分為用于選擇性激光燒結（SLS）技術的覆膜砂和用于粘接劑噴射（BJP）技術的樹脂砂。SLS覆膜砂材料是一種選擇性激光燒結（SLS）工藝打印鑄造用型芯或型殼的成形材料，打印出的砂型材料結合傳統(tǒng)鑄造工藝，可快速鑄造制得金屬零件。BJP樹脂砂主要包括鑄造用硅砂、呋喃樹脂粘結劑、酚醛樹脂粘結劑、無機粘結劑等鑄造砂型成形材料，通過BJP工藝成形砂芯、砂型，極大程度上提升了鑄造生產(chǎn)效率。覆膜砂的燒結性能優(yōu)異，尤其適用于復雜結構金屬零件的快速鑄造，在航空航天、汽車制造等領域有廣泛應用。2、陶瓷材料：在用于3D打印陶瓷材料中，研究最多的、成熟度最高的陶瓷材料主要為氧化物（Al2O3、ZrO2）、SiC、磷酸三鈣（TCP）等材料。粉末床成形技術一般要求粉體具有較高的流動性；立體光固化成形技術所用的原材料是由陶瓷粉體、分散劑和添加劑等組成的漿料。氧化物陶瓷被廣泛地應用于刀具、磨輪、球閥、軸承等的制造，其中以Al2O3和ZrO2陶瓷刀具制造最為廣泛。該種材料被研究學者所關注的性能以耐磨性能和強韌性為主。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高溫力學性能（高的抗彎強度、優(yōu)良的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數(shù)等），其抗氧化性能在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。3D打印技術和纖維復合材料的結合為制造業(yè)、環(huán)境保護和科技創(chuàng)新帶來了巨大推動。制造業(yè)的轉型升級、節(jié)能減排和資源利用、創(chuàng)新驅動和科技競爭力都將因3D打印纖維復合材料的應用而實現(xiàn)新的突破。采用3D打印纖維復合材料，是用最少的工具快速制造復合材料物體的理想方法。連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料因其具有高的比強度、比模量、可設計性，在航空、航天、汽車等輕量化結構件中扮演者越來越重要的角色。3D打印連續(xù)纖維復合材料主要基體材料有苯乙烯-丙烯腈-聚丁二烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龍（Nylon）、聚醚醚酮（PEEK）和環(huán)氧樹脂等，主要增強纖維為碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和凱夫拉纖維（Kevlar），研究表明纖維體積分數(shù)與連續(xù)纖維復合材料拉伸和彎曲性能呈正相關，纖維含量越高材料強度也隨之增加，研究人員常通過纖維表面改性、提高打印壓力和工藝優(yōu)化等方式，以提升纖維含量、改善力學性能。2.3.4復合材料本節(jié)主要講述碳纖維，碳纖維復合材料作為3D打印材料界的一大重要類別，具有具有輕量、高強度、高韌性、導熱性好、耐低溫、耐腐蝕等特點。這些特性使得碳纖維成為3D打印纖維復合材料的理想材料，可以制造出更堅固、更輕盈的產(chǎn)品原型。1、打印優(yōu)勢：碳纖維3D打印機可以實現(xiàn)復雜結構的打印，如薄壁結構、空心結構等，提高了產(chǎn)品的設計自由度和創(chuàng)造力。同時，它還可以實現(xiàn)精細打印，提供更高的打印分辨率和精度，碳纖維復合材料增材制造工藝如下圖所示。2、應用領域：（1）航空航天：在航空航天領域，輕量化和強度是關鍵要素。3D打印技術可以根據(jù)設計師的要求，制造出復雜形狀的零部件，采用碳纖維材料可以進一步提升零件的強度和剛性，減輕整個航空器的重量，從而提高燃油效率并降低碳排放。（2）工業(yè)制造：在工業(yè)制造領域，3D打印技術可以打印出復雜形狀的工業(yè)零部件，如排氣系統(tǒng)、引擎外殼等。使用碳纖維材料可以增加零部件的強度，同時大大減輕機器質量，提升機器性能并降低能源消耗。（3）體育用品：在體育用品領域，3D打印技術可以制造出輕量化、個性化的運動裝備。應用碳纖維材料，可以提高運動裝備的強度和彈性，減少運動員的負重感，提升運動表現(xiàn)。3D打印碳纖維復合材料在航空航天領域的應用是一項具有巨大潛力的技術。通過3D打印技術和碳纖維復合材料結合，可以實現(xiàn)大規(guī)模、復雜形狀結構件的快速制造。傳統(tǒng)的碳纖維復合材料成型工藝往往需要復雜而昂貴的模具，而3D打印技術可以直接將零件從數(shù)字設計文件轉化為實體，消除了模具的需求，降低了制造成本和周期。1、TPU：具有高彈性和柔軟性，常用于制作鞋子、手機殼、玩具等。2、Nylon：具有高強度、高耐磨性和耐化學性，可用于多種應用場景。3、生物可降解材料：這種材料在生物體內(nèi)能夠被自然降解，因此特別適用于醫(yī)療應用，如制作臨時植入物、縫合線或藥物輸送系統(tǒng)。它們不僅避免了二次手術的需求，還減少了患者的不適。4、生物組織材料：這些材料旨在模擬人體組織的特性，用于制作人工骨骼、關節(jié)、心臟瓣膜等。它們通常需要與患者的細胞和組織相兼容，以促進愈合和恢復。5、橡膠類材料：橡膠類材料具有良好的彈性和耐磨性，常用于制作輪胎、密封件、緩沖墊等。在3D打印中，橡膠類材料可以通過特定的打印技術實現(xiàn)復雜形狀和結構的制造，為產(chǎn)品設計提供更多的可能性。6、木質材料：近年來，木質材料也逐漸被引入到3D打印領域。木質材料具有天然的紋理和質感，適用于制作家居用品、裝飾品等。通過3D打印技術，可以實現(xiàn)木質零件的精確制造和定制化設計。7、軟膠材料：這種材料柔軟且富有彈性，常用于制作需要彎曲或變形的部件，如管道、軟管等。軟膠材料具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，適用于各種復雜環(huán)境下的應用。2.3.5其它材料8、蠟質材料：蠟質材料常用于制作鑄造模具和模型。它們具有良好的可塑性和加工性，可以通過3D打印技術制造出高精度、高表面質量的模型，為鑄造行業(yè)提供便利。9、可食用材料：隨著3D食品打印技術的發(fā)展，可食用材料也逐漸成為3D打印的一個重要方向。這些材料通常由糖、面粉、巧克力等食品原料制成，通過3D打印技術可以制作出各種形狀和口味的食品，為餐飲業(yè)和食品加工業(yè)帶來創(chuàng)新。10、石墨烯復合材料：石墨烯具有優(yōu)異的電學、熱學和力學性能，因此石墨烯復合材料在3D打印領域具有巨大的潛力。這種材料可以用于制造高性能的電子產(chǎn)品、航空航天部件以及輕量化結構等。11、陶瓷基復合材料：陶瓷基復合材料結合了陶瓷的高硬度、高耐磨性和其他材料的韌性，適用于制造高性能的切削工具、耐磨件以及高溫環(huán)境下的零部件。12、金屬泡沫：金屬泡沫是一種輕質金屬材料，具有良好的吸能性能和隔音性能。通過3D打印技術，可以制造出具有復雜內(nèi)部結構的金屬泡沫零件，用于汽車、航空航天等領域的吸能結構和隔音材料。13、生物基材料：這些材料來源于可再生資源，如植物纖維、淀粉等。它們具有環(huán)保、可降解的特點，適用于制造一次性用品、包裝材料等。14、液態(tài)金屬：某些金屬在特定條件下可以呈液態(tài)，這些液態(tài)金屬可以被用于3D打印制造精密的金屬結構。由于液態(tài)金屬的流動性好，可以制造出更為復雜的形狀和結構。15、智能材料：智能材料具有感知、響應和自適應的能力，如形狀記憶合金、壓電材料等。這些材料可以通過3D打印技術制造出具有特殊功能的結構，用于智能機器人、傳感器等領域。16、納米材料：納米材料具有獨特的物理、化學和機械性能，如高強度、高硬度、優(yōu)異的導電性和導熱性等。通過3D打印技術，可以精確地構建納米結構，為微納制造、生物醫(yī)學和能源等領域提供新的解決方案。17、導電材料