3D打印材料有哪些

2018-09-29

由于完全改變了傳統制造工業的方式和原理，作為關鍵核心技術的3D打印儼然已成為各國制造業先進與否的技術衡量標準。知名3D打印顧問公司Wohlers Associates近日發布的《Wohlers Report 2018》顯示：2017年增材制造行業整體增長21%，市場價值超過12.5億美元。行業數據顯示，截至2020年，3D打印市場的價值將高達210億美元。

　　3D打印制造技術主要由三大要素組成：精準的三維設計；強大的成型設備；滿足制品性能和成型工藝的材料。

　　目前，3D打印材料約有200余種，通常對于耐熱性、靈活性、穩定性以及敏感性有著極高的要求，均是專門針對3D打印設備和工藝而研發。

　　可見，在3D打印風暴席卷全球的今天，作為其中關鍵部分的3D打印材料無疑正幫助攪動這場風暴。作為3D打印的“墨水”，3D打印材料開發難度大、成本高，目前仍是構建3D打印生態圈的掣肘因素。

　　俗話說“巧婦難為無米之炊”，3D打印材料之于3D打印的重要性不言而喻！今天，就讓我們好好“爆料”一下這些3D打印材料。

　　工程塑料

　　作為當前應用最廣泛的一類3D打印材料，工程塑料占商用3D打印材料的90%以上，應用于FDM設備，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。主要包括熱塑性材料和熱固性材料。目前常見的工程塑料主要有以下幾類：

　　ABS：當前最熱門的FDM 熱塑性塑料之一，通常呈絲狀；具有良好的熱熔性與沖擊強度，是通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。優點在于打印出的部件機械強度好且穩定性高。同時，還可與可溶性支撐材料一起使用?？梢赃M行多種顏色選擇，甚至可以自定義顏色，比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技術的輔助下就能提供象牙色、白色、黑色等九種顏色的選擇。

　　PC：白色工程塑料，可與FDM技術相結合制造出耐用的模型、工具或最終產品零件。與ABS塑料相比，PC材料具有更好的強度、耐高溫性、抗沖擊性等優點，因此可以作為最終零部件使用于超強工程制品的應用。使用PC材料制作的樣件可直接裝配使用，廣泛應用于汽車制造、航空航天、醫療器械等領域。

　　PA：機械強度高，且具有一定柔韌性，耐熱，耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的強度特性和抗疲勞性，并可抗中度腐蝕性化學品，適于重復閉合、卡扣式和抗振動部件，而Stratasys的FDM Nylon 6同時具有優于其他熱塑性塑料的強度和韌性，可經受嚴格的功能測試，是汽車、航空航天、消費品和工業制造行業中的產品制造商和開發工程師的理想選擇。

　　光敏樹脂

　　因具有較快的固化速度，光敏樹脂表干性能優異，成型后產品外觀平滑，可呈現透明至半透明磨砂狀。因具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性，使得液態光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。目前主要有以下三類：

　　齊聚物：含有不飽和鍵的低分子聚合物，種類多，以各類丙烯酸樹脂最為常見。齊聚物是光固化材料中最為基礎的材料，決定了光敏樹脂的黏度、硬度、斷裂延伸率等基本物理化學性能。

　　反應性稀釋劑：是含有雙鍵的小分子溶劑。反應性稀釋劑調節體系的黏度，降低齊聚物的黏度，避免噴頭因黏度過高而堵塞。反應性稀釋劑還參與到光固化反應之中，影響到聚合反應的動力學、聚合程度以及固化物的物理性質等。

　　光引發劑：最為關鍵的組分，決定了光固化材料的質量與光固化反應的速度?？筛鶕l輻射的能量不同而分為紫外線引發劑和可見光引發劑。由于紫外光引發劑具有存儲穩定的優點，現在3D 打印市場上所用的光引發劑都是紫外光引發劑。

　　金屬材料

　　3D打印金屬材料以金屬粉末、金屬箔以及金屬絲的形式存在。金屬材料現階段市場份額較小，但擴張速度最快。

　　金屬材料可以用于選擇性激光燒結（SLS）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔煉（EMB）等工業級別的3D打印機。若把金屬材料加入到某些工程塑料材料（如ABS）中去，則可制成適用于FDM 機型的具有一定金屬屬性的線材。

　　在3D打印金屬材料的過程中，需要考慮金屬的固液相變、表面擴散和熱傳導等因素，而金屬粉末的形態直接影響3D打印產品的質量。如今常見的金屬材料包括鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金和鋁合金等材料。金、銀等貴金屬粉末材料偶爾也會被用于打印首飾或藝術品等。

　　陶瓷材料

　　硅酸鋁陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷產品，一般呈粉末狀，通常用于選擇性激光燒結（SLS）打印機。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。

　　陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比，會直接影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多，燒結比較容易，但在后處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少，則不易燒結成形。

　　陶瓷材料具有高強度、耐高溫和耐腐蝕等優點，具有應用于航空航天和汽車等領域的潛能。同時，陶瓷材料可以選擇的顏色很多，可打印出形態逼真、色彩豐富的產品，是工藝品、建筑和衛浴產品的理想選擇。

　　生物用高分子材料

　　生物3D打印材料主要包括支架材料與直接細胞打印材料。支架類3D打印材料需滿足：良好的生物相容性，對細胞及機體無毒害；良好的生物降解特性，可完全被機體降解吸收或排出體外；良好的機械特性，具備一定的力學強度及可塑性，結構可長時間保持穩定，具有較高的孔隙率；良好的表面相容性，利于細胞在材料表面黏附與生長。主要分為以下幾類：

　　PLA：3D打印起初使用得最好的原材料，具有多種半透明色和光澤質感。它源于可再生資源—玉米淀粉和甘蔗，無毒無味，是能夠降解的環保型塑料。

　　PETG：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，兼具PLA和ABS的優點。

　　PCL：是一種生物可降解聚酯，熔點較低，常常用作特殊用途如藥物傳輸設備、縫合劑等，同時還具有形狀記憶性。在醫學領域，可用來打印心臟支架等。

　　其他3D打印材料

　　碳纖維材料是一種新興的3D打印材料，強度是鋼的五倍而重量卻只有其1/3，且還具有耐高溫及耐腐蝕等優點。

　　導電打印材料是熱塑性材料的一種，可用于制造具有電子或是機械功能的3D打印產品，如電路板、手電筒以及可穿戴的照明設備等。