常见3D打印材料有哪些?

国际金属加工网 2020年04月28日

随着科技的不断发展,一些新型的打印技术逐渐走向大众的视野。和造纸行业以及传统印刷不同的是,3D打印的效果更加逼真,材料更加多样。去看看新型的科技材料有哪些。

3D打印是一种快速成型技术,它以数字模型为基础,使用粉末状的可粘合材料(如金属、塑料等),通过数字技术材料逐层打印来构造物体。随着科学的不断发展,3D打印已走入寻常百姓家。

3D打印技术一开始常见于模具制造、工业设计,后来逐渐普及到建筑、汽车航天、医疗等领域。3D打印凭借其独特的制造技术,颠覆了传统制造模式,也同样赋予产品新的特性。而3D打印材料是这一技术发展过程中的灵魂,也是实现D打印技术突破技术瓶颈不断创新的关键。

3D打印材料类型可以从不同方面进行分类。根据化学性能可分为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料,根据物理状态可分为丝状材料、粉末材料、液体材料、薄片材料。在打印技术方面可以分为熔融沉积成形(FDM)、激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光近净成形(LENS)、电子束选区熔化(EBM)、多喷射熔融(MJF)、电弧增材制造(WAAM)等多种工艺。

目前3D打印经常使用的材料主要是聚合物材料、金属材料和陶瓷材料,发展至今也不断有新材料加入其中,如人造骨粉、石膏、砂糖、细胞生物原料等。今天我们一起来了解一些常见的3D打印材料。

聚合物材料

光敏树脂:适用于光固化成形,在特殊的光照(如紫外光)下能够发生聚合反应以实现固化。用于3D打印的光敏树脂材料一般要满足固化前性能稳定、反应速度快、黏度适中、固化收缩小、固化后具有足够的机械强度和化学稳定性以及毒性刺激性小等要求。另外由于应用领域的不同,对光敏树脂材料还有诸如低灰分、无灰分、可生物降解等要求。

热塑性聚合物:如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚醚酮(PEEK)等都是常见的3D打印用热塑聚合物材料。

根据打印方式对材料形态的要求,熔融沉积成型方式打印常使用丝材;激光选区烧结常使用粉材。由于工业上常用的聚合物原料大多以颗粒为主,制成丝材或粉材都要进行二次加工,提高了3D打印耗材的使用成本,目前也有一些单位开始研发以颗粒为原料的3D打印装备。

·丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)

ABS材料具有良好的热熔性、机械性和抗冲击性,在3D打印工艺中应用广泛。它的应用范围几乎涵盖了所有日用品、工程用品和部分机械用品,多彩的颜色选择也使其成为3D打印机用户最喜爱的打印材料。

·聚乳酸(PLA)

PLA是一种环保型打印材料,与ABS相比,打印过程中不需要加热床配合,更方便使用,在低端3D打印机上也可以进行使用,也是使用广泛的打印材料。

·尼龙(PA)

PA具有良好的力学性能,并且耐油性、耐热性、耐腐蚀性也十分突出,是一种性能优良的工程塑料。广泛应用于汽车、电子电气、电动工具等行业。通过加入玻璃微珠、碳纤维、铝粉等无机材料能够使3D打印材料某些性能提高,更能满足不同领域的应用需求。

·聚己内酯(PCL)

PCL材料具有无毒、低熔点的特性,适宜用于儿童使用的制品。另外PCL还有良好的生物相容性和降解性,在医疗领域中有很大的应用空间,在4D打印方面也有相当的发展潜力。

·热塑性聚氨酯(TPU)

TPU具有一定的耐磨性、耐油性,弹性良好,适用于鞋材、个人消费品、工业零件等的制造。结合3D打印技术可以制造出传统成形工艺难以制造的复杂多孔结构,使得制件拥有独特且可调控的力学性能。

·聚醚醚酮(PEEK)

PEEK具有高熔点和优良的力学性能,在生物相容性方面也表现良好。目前对3D打印材料的开发中,PEEK正是其中的热点之一。在尤其在医疗领域中,3D打印可以根据患者的不同情况提供个人方案定制,由于经碳纤维增强的PEEK具有与人骨最为接近的杨氏模量,正成为骨科植入物中的理想材料。

金属材料

铁基合金:较常用的铁基合金有工具钢、316L不锈钢、M2高速钢、H13模具钢和15-5PH马氏体时效钢等。铁基合金使用成本较低、硬度高、韧性好,同时具有良好的机械加工性,特别适合于模具制造。

钛及钛基合金:钛及钛合金以其显著的比强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等特点,成为医疗器械、化工设备、航空航天及运动器材等领域的理想材料。采用3D打印技术制造的钛合金零部件尺寸精确,性能比锻造工艺生产的同种零件更好。

镍基合金:镍基合金是一类发展最快、应用最广的高温合金,广泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等领域。

铝合金:铝合金密度低,耐腐蚀性能好,抗疲劳性能较高,且具有较高的比强度、比刚度,是一类理想的轻量化材料。

陶瓷材料

陶瓷材料具有硬度高、强度高、耐高温、化学稳定性好等特点,在航天航空、电子、汽车、能源、生物医疗等行业有广泛的应用前景。由于其大多数材料熔点很高甚至没有准确熔点,因而在一定程度上还是限度了陶瓷材料的应用。

传统陶瓷材料:主要包括粘土、水泥及硅酸盐玻璃等。传统陶瓷的原料多为天然的矿物原料,分布广泛且价格低廉,适合于日用陶瓷、卫生陶瓷、耐火材料、磨料、建筑材料等的制造。

新型陶瓷材料:采用高纯度原料、可以人为调控化学配比和组织结构的高性能陶瓷,相比传统陶瓷在力学性能上有显著提高并具有传统陶瓷不具备的各种声、光、热、电、磁功能。先进陶瓷从用途上可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷常用来制造结构零部件,要求有较高的硬度、韧性、耐磨性和耐高温性能;功能陶瓷则用来制造功能器件,如压电陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、敏感陶瓷、生物陶瓷等。

复合材料

碳纤维:碳纤维具有耐高温、耐腐蚀、高强度等特点,近年来成为科学界研究的新宠,也是3D打印中新兴的打印材料。碳纤维的引入提高了打印件的刚性强度,且结晶度更加均匀,有望在未来得到进一步发展。目前科学界有不少通过加入碳纤维来获得新的3D复合打印材料的科研成果,如中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队对自主研发的碳纤维PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究获得成功、美国橡树岭国家实验室和辛辛那提公司展示了世界上第一个3D打印的用短纤维增强的复合材料汽车车身等。

结语

随着科学技术的提升,3D打印技术也日新月异,更多的3D打印材料面世,并逐渐延伸、深入到各个领域。小到零件螺母,大到航空航天器,3D打印技术的身影无处不在。

近年来不断传出新的关于3D打印材料被开发应用的好消息,其中我国也取得了不少亮眼的成绩,未来对于3D打印领域的科研角力还将继续,我们一起期待。


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