3D打印材料大解析
3D打印，是根據(jù)所設(shè)計的3D模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作增材制造。3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。
3D打印制造技術(shù)主要由3個關(guān)鍵要素組成：
一是產(chǎn)品需要進(jìn)行精準(zhǔn)的三維設(shè)計，運用計算機輔助設(shè)計(CAD)工具對產(chǎn)品全方位精準(zhǔn)定位;
二是需要強大的成型設(shè)備;
三是需要滿足制品性能和成型工藝的材料。
由于3D打印制造技術(shù)完全改變了傳統(tǒng)制造工業(yè)的方式和原理，是對傳統(tǒng)制造模式的一種顛覆，因此3D打印材料成為限制3D打印發(fā)展的主要瓶頸，也是3D打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點和難點所在，只有進(jìn)行更多新材料的開發(fā)才能拓展3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和復(fù)合材料等。
3D打印聚合物 3D打印無人機
工程塑料
工程塑料指被用做工業(yè)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，常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、 聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。
1)ABS
ABS材料因具有良好的熱熔性、沖擊強度， 成為通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。 目前主要是將ABS預(yù)制成絲、粉末化后使用，應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機械用品。近年來ABS不但在應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴大，而且性能不斷提升，借助ABS強大的粘接性、強度通過對ABS的改性，使其作為3D打印材料在更廣范圍得到應(yīng)用。
2014年國際空間站用ABS塑料3D打印機為其打印零件;世界上最大的3D打印機材料公司Stratasys公司研發(fā)的最新ABS材料ABS-M30，專為3D打印制造設(shè)計，機械性能比傳統(tǒng)的ABS材料提高了67%， 從而擴大了ABS的應(yīng)用范圍。
2)PA
PA強度高，同時具有一定的柔韌性，因此可直接利用3D打印制造設(shè)備零部件。利用3D打印制造的PA碳纖維復(fù)合塑料樹脂零件強度韌性很高，可用于機械工具代替金屬工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可與陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合，通過粘接實現(xiàn)陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3D打印。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進(jìn)行3D打印樣件，用于發(fā)動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。用工程塑料替代傳統(tǒng)的金屬材料，最終解決了汽車的輕量化問題。
3)PC
PC具有優(yōu)異的強度，其強度比ABS材料高出60%左右，因此適合于超強工程制品的應(yīng)用。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進(jìn)行3D打印樣件，用于發(fā)動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。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(gòu)件的3D打印制造。
3D打印吹塑成型模具(圖片來源：Stratasys)
4)PPFS
PPSF具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學(xué)品性，在各種快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復(fù)合處理，PPSF顯示出極高的強度，可用于3D打印制造高承受負(fù)荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。
5)PEEK
PEEK具有優(yōu)異的耐磨性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性以及楊氏模量最接近人骨等優(yōu)點，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體。基于熔融沉積成型原理的3D打印技術(shù)安全方便、無需使用激光器、后處理簡單，通過與PEEK材料結(jié)合制造仿生人工骨。
6)EP
EP(Elasto Plastic)即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料，它能夠避免用ABS打印的穿戴物品或可變形類產(chǎn)品存在的脆性問題。顧名思義，Elasto Plastic是一種新型柔軟的3D打印材料，在進(jìn)行塑形時和ABS一樣均采用“逐層燒結(jié)”原理，但打印的產(chǎn)品卻具有相當(dāng)好的彈性，易于恢復(fù)形變。這種材料可用于制作像3D打印鞋、手機殼和3D打印衣物等產(chǎn)品。
7)Endur
Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料—Endur，它是一種先進(jìn)的仿聚丙烯材料，可滿足各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，用其打印的產(chǎn)品表面質(zhì)量佳，且尺寸穩(wěn)定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用于打印運動部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器。
生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羥基丁酸酯(PHB)、 聚-羥基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯 (PBS)、聚己內(nèi)酯(PCL)等，具有良好的可生物降解性。
1)PLA
PLA(Poly Lactic Acid)即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多種半透明色和光澤質(zhì)感。作為一種環(huán)境友好型塑料，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它源于可再生資源—玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生資源——化石燃料。新加坡南洋理工大學(xué)的Tan K H等在應(yīng)用PLA制造組織工程支架方面的研究中，采用3D技術(shù)成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA組織工程支架，通過對該支架進(jìn)行組織分析，發(fā)現(xiàn)其具有生長能力。
3D打印的PLA螺栓和螺母、PLA檸檬榨汁機推桿
2)PETG
PETG是采用甘蔗乙烯生產(chǎn)的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。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。PETG作為一種新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的優(yōu)點。在3D打印時，材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性，無需在密閉空間里貯存。由于PETG的收縮率低、溫度低，在打印過程中幾乎沒有氣味，使得PETG在3D打印領(lǐng)域產(chǎn)品具有更為廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。
3)PCL
PCL是一種生物可降解聚酯，熔點較低，只有60℃左右。與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備、縫合劑等，同時，PCL還具有形狀記憶性。在3D打印中，由于它熔點低，所以并不需要很高的打印溫度，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用來打印心臟支架等。
熱固性塑料
熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、芳雜環(huán)樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用3D打印的粉末激光燒結(jié)成型工藝。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的材料科學(xué)家與Wyss生物工程研究所聯(lián)手開發(fā)出了一種可3D打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種環(huán)氧樹脂可3D打印成建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中。
光敏樹脂
光敏樹脂是由聚合物單體與預(yù)聚體組成，由于具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性，使得液態(tài)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。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表干性能優(yōu)異，成型后產(chǎn)品外觀平滑，可呈現(xiàn)透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個人桌面3D打印系統(tǒng)。
高分子凝膠
高分子凝膠具有良好的智能性，海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3D打印，在一定的溫度及引發(fā)劑、交聯(lián)劑的作用下進(jìn)行聚合后，形成特殊的網(wǎng)狀高分子凝膠制品。如受離子強度、溫度、電場和化學(xué)物質(zhì)變化時，凝膠的體積也會相應(yīng)地變化，用于形狀記憶材料;凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉(zhuǎn)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。
3D打印金屬
目前大多數(shù)3D打印耗材是塑料，而金屬良好的力學(xué)強度和導(dǎo)電性使得研究人員對金屬物品的打印極為感興趣。
3D Systems為GE公司打印的航空金屬構(gòu)件(左)3D 打印奧斯卡“小金人”(右)
黑色金屬
1)不銹鋼
不銹鋼是最廉價的金屬打印材料，經(jīng)3D打印出的高強度不銹鋼制品表面略顯粗糙，且存在麻點。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等的3D打印。
2)高溫合金
高溫合金因其強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易成型加工和傳統(tǒng)加工工藝成本高等因素，目前已成為航空工業(yè)應(yīng)用的主要3D打印材料。隨著3D 打印技術(shù)的長期研究和進(jìn)一步發(fā)展，3D打印制造的飛機零件因其加工的工時和成本優(yōu)勢已得到了廣泛應(yīng)用。
有色金屬
1)鈦
采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件，強度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達(dá)1mm，而且其零部件機械性能優(yōu)于鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D打印汽車、航空航天和國防工業(yè)上都將有很廣闊的應(yīng)用前景。
2)鎂鋁合金
鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強度高的優(yōu)越性能，在制造業(yè)的輕量化需求中得到了大量應(yīng)用。在3D打印技術(shù)中，它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。
日本佳能公司利用3D打印技術(shù)制造出了頂級單反相機鎂鋁合金特殊曲面頂蓋
3)鎵
鎵(Ga)主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導(dǎo)電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，鎵既不含毒性，也不會蒸發(fā)。鎵可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，液態(tài)金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設(shè)備、超伸縮電線和軟光學(xué)部件上已得到了應(yīng)用。
3)鎵-銦合金
北卡羅琳州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用鎵(Ga)與銦(In)的液態(tài)金屬合金通過3D打印技術(shù)在室溫下創(chuàng)造了一種三維的自立式結(jié)構(gòu)，這一奇跡的誕生得益于鎵-銦合金在空氣中與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術(shù)在3D打印中被用于連接電子部件。
4)稀貴金屬
3D打印的產(chǎn)品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設(shè)計師受益最大的似乎就是將3D打印快速原型技術(shù)作為一種強大，且可方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。在飾品3D打印材料領(lǐng)域，常用的有金、純銀、黃銅等。
陶 瓷
硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3D打印陶瓷產(chǎn)品。3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱(可達(dá)600°C)、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。
復(fù)合材料
美國硅谷Arevo實驗室3D打印出了高強度碳纖維增強復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的擠出或注塑定型方法，3D打印時通過精確控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機械、電和熱性能，能夠嚴(yán)格設(shè)定其綜合性能。由于3D打印的復(fù)合材料零件一次只能制造一層，每一層可以實現(xiàn)任何所需的纖維取向。結(jié)合增強聚合物材料打印的復(fù)雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學(xué)性能。
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