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常見3d打印材料有那些?

3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的制作方式,并持續(xù)給人們帶來技術(shù)更新的震撼。然而,3D打印技術(shù)真的可以全面取代傳統(tǒng)技術(shù)了嗎?其實不然,雖然3D打印技術(shù)的發(fā)展已相對成熟,當(dāng)其面臨的技術(shù)瓶頸與難題也同樣存在,尤其是在3D打印材料和速度方面,是目前科研人員著重發(fā)展的方向。此篇文章,魔猴網(wǎng)將就3D打印材料進行全面解讀。


一、3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),在某種程度上,材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)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(lǐng)域得到了應(yīng)用。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別,其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常,根據(jù)打印設(shè)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


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(dāng)前應(yīng)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(yōu)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。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(yīng)用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)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(yīng)用于汽車、家電、電子消費品領(lǐng)域。


PC-ABS材料是一種應(yīng)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(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)。使用該材料配合FORTUS設(shè)備制作的樣件強度比傳統(tǒng)的FDM 系統(tǒng)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(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料,具有很高的強度,廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè),用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)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(yè),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(yōu)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(yī)療行業(yè)。PSU類材料能帶來直接數(shù)字化制造體驗,性能非常穩(wěn)定,通過與RORTUS設(shè)備的配合使用,可以達到令人驚嘆的效果。

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2.光敏樹脂


ultraviolet rays(UV)樹脂,由聚合物單體與預(yù)聚體組成,其中加有光(紫外光)引發(fā)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(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài),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(shù)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(huán)氧樹脂。


somos NEXT材料為白色材質(zhì),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(jié))制作的尼龍材料性能,而精度和表面質(zhì)量更佳。somos NEXT材料制作的部件擁有迄今最優(yōu)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(yōu)點,主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品等領(lǐng)域。


somos11122材料看上去更像是真實透明的塑料,具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性,能提供包括ABS和PBT在內(nèi)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(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。


somos19120材料為粉紅色材質(zhì),是一種鑄造專用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_發(fā)模具的風(fēng)險,大大縮短周期,擁有低留灰燼和高精度等特點。


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(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。


4.金屬材料


近年來,3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實際產(chǎn)品的制造,其中,金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國防領(lǐng)域,歐美發(fā)達國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)動機壓氣機部件,以及火箭、導(dǎo)彈和飛機的各種結(jié)構(gòu)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(yōu)異,用其制作的零部件強度高、耐高溫。采用3D打印技術(shù)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(yōu)于鍛造工藝。


不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)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(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性,在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)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(fù)雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發(fā)周期長,難以滿足產(chǎn)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(jié)劑粉末所組成的混合物。由于粘結(jié)劑粉末的熔點較低,激光燒結(jié)時只是將粘結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起。在激光燒結(jié)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(jié)劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多,燒結(jié)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(jié)劑份量少,則不易燒結(jié)成形。顆粒的表面形貌及原始尺寸對陶瓷材料的燒結(jié)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(jié)質(zhì)量越好。


瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時液相表面張力大,在快速凝固過程中會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)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(nèi)外正處于研究階段,還沒有實現(xiàn)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?;谠诜勰┙橘|(zhì)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(xiàn)細微的顆粒效果,外觀很像巖石,在曲面表面可能出現(xiàn)細微的年輪狀紋理,因此,多應(yīng)用于動漫玩偶等領(lǐng)域。


3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)、組織工程相結(jié)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(fā)“骨骼打印機”,利用類似噴墨打印機的技術(shù),將人造骨粉轉(zhuǎn)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(xué)打印出來的鮮肉,是先用實驗室培養(yǎng)出的細胞介質(zhì),生成類似鮮肉的代替物質(zhì),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(shù)得到了快速的發(fā)展,其實際應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前,我國3D打印原材料缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)有能力生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)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(chǎn)品成本較高,影響了其產(chǎn)業(yè)化的進程。因此,當(dāng)前的迫切任務(wù)之一是建立3D打印材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),加大對3D打印材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和資金支持,提高國內(nèi)3D打印用材料的質(zhì)量,從而促進我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展??梢灶A(yù)計,3D打印技術(shù)的進步一定會促進我國制造業(yè)的跨越發(fā)展,使我國從制造業(yè)大國成為制造業(yè)強國。