常用3D打印材料的應用

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曉昀

電梯直達

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發表于 2020-9-16 07:33:48 | 只看該作者 |只看大圖 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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

3D打印技術一開始常見于模具制造、工業設計，后來逐漸普及到建筑、汽車、航天、醫療等領域。3D打印憑借其獨特的制造技術，顛覆了傳統制造模式，也同樣賦予產品新的特性。而3D打印材料是這一技術發展過程中的靈魂，也是實現D打印技術突破技術瓶頸不斷創新的關鍵。

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

目前3D打印經常使用的材料主要是聚合物材料、金屬材料和陶瓷材料，發展至今也不斷有新材料加入其中，如人造骨粉、石膏、砂糖、細胞生物原料等。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)下能夠發生聚合反應以實現固化。用于3D打印的光敏樹脂材料一般要滿足固化前性能穩定、反應速度快、黏度適中、固化收縮小、固化后具有足夠的機械強度和化學穩定性以及毒性刺激性小等要求。另外由于應用領域的不同，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。

根據打印方式對材料形態的要求，熔融沉積成型方式打印常使用絲材；激光選區燒結常使用粉材。由于工業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、機械性和抗沖擊性，在3D打印工藝中應用廣泛。它的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，多彩的顏色選擇也使其成為3D打印機用戶最喜愛的打印材料。

·聚乳酸(PLA)

PLA是一種環保型打印材料，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打印機上也可以進行使用，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，是一種性能優良的工程塑料。廣泛應用于汽車、電子電氣、電動工具等行業。通過加入玻璃微珠、碳纖維、鋁粉等無機材料能夠使3D打印材料某些性能提高，更能滿足不同領域的應用需求。

·聚己內酯(PCL)

PCL材料具有無毒、低熔點的特性，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，在醫療領域中有很大的應用空間，在4D打印方面也有相當的發展潛力。

·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、個人消費品、工業零件等的制造。結合3D打印技術可以制造出傳統成形工藝難以制造的復雜多孔結構，使得制件擁有獨特且可調控的力學性能。

·聚醚醚酮(PEEK)

PEEK具有高熔點和優良的力學性能，在生物相容性方面也表現良好。目前對3D打印材料的開發中，PEEK正是其中的熱點之一。在尤其在醫療領域中，3D打印可以根據患者的不同情況提供個人方案定制，由于經碳纖維增強的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 馬氏體時效鋼等。鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時具有良好的機械加工性，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度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點，成為醫療器械、化工設備、航空航天及運動器材等領域的理想材料。采用3D打印技術制造的鈦合金零部件尺寸精確，性能比鍛造工藝生產的同種零件更好。

鎳基合金：鎳基合金是一類發展最快、應用最廣的高溫合金，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、強度高、耐高溫、化學穩定性好等特點，在航天航空、電子、汽車、能源、生物醫療等行業有廣泛的應用前景。由于其大多數材料熔點很高甚至沒有準確熔點，因而在一定程度上還是限度了陶瓷材料的應用。

傳統陶瓷材料：主要包括粘土、水泥及硅酸鹽玻璃等。傳統陶瓷的原料多為天然的礦物原料，分布廣泛且價格低廉，適合于日用陶瓷、衛生陶瓷、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、可以人為調控化學配比和組織結構的高性能陶瓷，相比傳統陶瓷在力學性能上有顯著提高并具有傳統陶瓷不具備的各種聲、光、熱、電、磁功能。先進陶瓷從用途上可分為結構陶瓷和功能陶瓷。結構陶瓷常用來制造結構零部件，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。