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3D打印材料有哪些?全面盤點3D打印材料

時間:2015-03-25 18:36    來源:中國3D打印網 

3D打印,是根據所設計的3D模型,通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術。這種逐層堆積成形技術又被稱作增材制造。3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術,是快速成型技術的一種,被譽為“第三次工業革命”的核心技術。

與傳統制造技術相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造過程中去除大量的材料,也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品,因此,在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等,也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此,3D打印產業受到了國內外越來越廣泛的關注,將成為下一個具有廣闊發展前景的朝陽產業。


目前,3D打印已應用于產品原型、模具制造、藝術創意產品、珠寶制作等領域,可替代這些領域所依賴的傳統精細加工工藝[。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外,在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域,3D打印技術的引入也為其開拓了更廣闊的發展空間。

3D打印技術的快速發展使其成為近幾年國內外快速成形技術研究的重點。目前,美國、歐洲和日本都站在21世紀制造業競爭的戰略高度,對快速成形技術投入了大量的研究,使3D打印技術得到了迅速發展。在國防領域,歐美發達國家非常重視3D打印技術的應用,并投入巨資研制增材制造金屬零部件,特別是大力推動增材制造技術在鈦合金等高價值材料零部件制造上的應用]。

材料是3D打印的物質基礎,也是當前制約3D打印發展的瓶頸,這里簡要介紹當前3D打印材料的發展現狀及存在的問題。

一、3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術發展的重要物質基礎,在某種程度上,材料的發展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別,其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常,根據打印設備的類型及操作條件的不同,所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1~100μm不等,而為了使粉末保持良好的流動性,一般要求粉末要具有高球形度。

1.工程塑料

工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料,是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料,常見的有acrylonitrile butadiene styrene(ABS)類材料、polycarbonate(PC)類材料、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling(FDM,熔融沉積造型)快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料,具有強度高、韌性好、耐沖擊等優點,正常變形溫度超過90℃,可進行機械加工(鉆孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍。

ABS材料的顏色種類很多,如象牙白、白色、黑色、深灰、紅色、藍色、玫瑰紅色等,在汽車、家電、電子消費品領域有廣泛的應用。

PC材料是真正的熱塑性材料,具備工程塑料的所有特性:高強度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲,可以作為最終零部件使用。使用PC材料制作的樣件,可以直接裝配使用,應用于交通工具及家電行業。PC材料的顏色比較單一,只有白色,但其強度比ABS材料高出60%左右,具備超強的工程材料屬性,廣泛應用于電子消費品、家電、汽制造、航空航天、醫療器械等領域。

尼龍玻纖是一種白色的粉末,與普通塑料相比,其拉伸強度、彎曲強度有所增強,熱變形溫度以及材料的模量有所提高,材料的收縮率減小,但表面變粗糙,沖擊強度降低。材料熱變形溫度為110℃,主要應用于汽車、家電、電子消費品領域。

PC-ABS材料是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC-ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性,大多應用于汽車、家電及通信行業。使用該材料配合FORTUS設備制作的樣件強度比傳統的FDM系統制作的部件強度高出60%左右,所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件等熱塑性部件。

polycarbonate-iso(PC-ISO)材料是一種通過醫學衛生認證的白色熱塑性材料,具有很高的強度,廣泛應用于藥品及醫療器械行業,用于手術模擬、顱骨修復、牙科等專業領域。同時,因為具備PC的所有性能,也可以用于食品及藥品包裝行業,做出的樣件可以作為概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件使用。

POLYSULFONE(PSU)類材料是一種琥珀色的材料,熱變形溫度為189℃,是所有熱塑性材料里面強度最高,耐熱性最好,抗腐蝕性最優的材料,通常作為最終零部件使用,廣泛用于航空航天、交通工具及醫療行業。PSU類材料能帶來直接數字化制造體驗,性能非常穩定,通過與RORTUS設備的配合使用,可以達到令人驚嘆的效果。

2.光敏樹脂

光敏樹脂即ultraviolet rays(UV)樹脂,由聚合物單體與預聚體組成,其中加有光(紫外光)引發劑(或稱為光敏劑)。在一定波長的紫外光(2500~300nm)照射下能立刻引起聚合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態,可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前,研究光敏材料3D打印技術的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環氧樹脂。

somos NEXT材料為白色材質,類PC新材料,韌性非常好,基本可達到selective laser sintering(SLS,選擇性激光燒結)制作的尼龍材料性能,而精度和表面質量更佳。somos NEXT材料制作的部件擁有迄今最優的剛性和韌性,同時保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優點,主要應用于汽車、家電、電子消費品等領域。

somos11122材料看上去更像是真實透明的塑料,具有優秀的防水和尺寸穩定性,能提供包括ABS和PBT在內的多種類似工程塑料的特性,這些特性使它很適合用在汽車、醫療以及電子類產品領域。

somos19120材料為粉紅色材質,是一種鑄造專用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟膜原型,避免開發模具的風險,大大縮短周期,擁有低留灰燼和高精度等特點。

環氧樹脂是一種便于鑄造的激光快速成型樹脂,它含灰量極低(800℃時的殘留含灰量<0.01%),可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系,而且不含重金屬銻,可用于制造極其精密的快速鑄造型模。

3.橡膠類材料

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征,這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度,使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。

4.金屬材料

近年來,3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造,其中,金屬材料的3D打印技術發展尤其迅速。在國防領域,歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展,不惜投入巨資加以研究,而3D打印金屬零部件一直是研究和應用的重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前,應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等,此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

鈦是一種重要的結構金屬,鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于制作飛機發動機壓氣機部件,以及火箭、導彈和飛機的各種結構件。鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金,它的抗腐蝕性能和機械性能都非常優異,用其制作的零部件強度高、耐高溫。采用3D打印技術制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件,強度非常高,尺寸精確,能制作的最小尺寸可達1mm,而且其零部件機械性能優于鍛造工藝。

不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕而得到廣泛應用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經常使用的一類性價比較高的金屬粉末材料。3D打印的不銹鋼模型具有較高的強度,而且適合打印尺寸較大的物品。

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性,在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難,特別是復雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發周期長,難以滿足產品不斷更新的需求。

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。由于粘結劑粉末的熔點較低,激光燒結時只是將粘結劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結在一起。在激光燒結之后,需要將陶瓷制品放入到溫控爐中,在較高的溫度下進行后處理。陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多,燒結比較容易,但在后置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。顆粒的表面形貌及原始尺寸對陶瓷材料的燒結性能非常重要,陶瓷顆粒越小,表面越接近球形,陶瓷層的燒結質量越好。

陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大,在快速凝固過程中會產生較大的熱應力,從而形成較多微裂紋。目前,陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟,國內外正處于研究階段,還沒有實現商品化。

6.其他3D打印材料

除了上面介紹的3D打印材料外,目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等材料。

彩色石膏材料是一種全彩色的3D打印材料,是基于石膏的、易碎、堅固且色彩清晰的材料。基于在粉末介質上逐層打印的成型原理,3D打印成品在處理完畢后,表面可能出現細微的顆粒效果,外觀很像巖石,在曲面表面可能出現細微的年輪狀紋理,因此,多應用于動漫玩偶等領域。

3D打印技術與醫學、組織工程相結合,可制造出藥物、人工器官等用于治療疾病。加拿大目前正在研發“骨骼打印機”,利用類似噴墨打印機的技術,將人造骨粉轉變成精密的骨骼組織。打印機會在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑,使薄膜變得更堅硬。

美國賓夕法尼亞大學打印出來的鮮肉,是先用實驗室培養出的細胞介質,生成類似鮮肉的代替物質,以水基溶膠為粘合劑,再配合特殊的糖分子制成。還有尚處于概念階段的用人體細胞制作的生物墨水,以及同樣特別的生物紙。打印的時候,生物墨水在計算機的控制下噴到生物紙上,最終形成各種器官。食品材料方面,目前,砂糖3D打印機candyfab4000可通過噴射加熱過的砂糖,直接做出具有各種形狀,美觀又美味的甜品。

二、問題與展望

近年來,3D打印技術得到了快速的發展,其實際應用領域逐漸增多。但3D打印材料的供給形勢卻并不樂觀,成為制約3D打印產業發展的瓶頸。目前,我國3D打印原材料缺乏相關標準,國內有能力生產3D打印材料的企業很少,特別是金屬材料主要依賴進口,價格高。這就造成了3D打印產品成本較高,影響了其產業化的進程。因此,當前的迫切任務之一是建立3D打印材料的相關標準,加大對3D打印材料研發和產業化的技術和資金支持,提高國內3D打印用材料的質量,從而促進我國3D打印產業的發展。可以預計,3D打印技術的進步一定會促進我國制造業的跨越發展,使我國從制造業大國成為制造業強國。


(責任編輯:中國3D打印網)


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