3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀

【摘 要】3D打印操作簡單、成型速度快、成型過程無污染、成型件精度高，是當(dāng)前快速成型技術(shù)的研究熱點(diǎn)。而3D打印成本很高，不僅僅是自身的機(jī)器價(jià)格高，更重要的是打印材料的價(jià)格高。為此，3D打印材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】3D打印；金屬材料；陶瓷材料；復(fù)合材料

3D打印技術(shù)又稱“快速成形技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。現(xiàn)階段制約3D打印技術(shù)發(fā)展的因素主要有兩個(gè)：打印材料和設(shè)備。比起設(shè)備的研發(fā)，材料的研發(fā)難度更大。3D打印技術(shù)并不復(fù)雜，難在材料。普通打印機(jī)的耗材就是墨水和紙張，但3D打印機(jī)的耗材卻主要是膠水和粉末，而且必須經(jīng)過特殊處理，對(duì)材料的固化反應(yīng)速度等也要求很高。根據(jù)化學(xué)組成，3D打印材料分為金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料和聚合物。

1.3D打印材料

1.1金屬材料

目前大多數(shù)3D打印耗材是塑料，而金屬具有更好的力學(xué)強(qiáng)和導(dǎo)電性，在3D打印中具有舉足輕重的地位。但金屬材料的3D打印制造技術(shù)難度大，主要是因?yàn)榻饘俚娜埸c(diǎn)比較高，sahod 料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等。其中鈦合金尤其受到重視，因?yàn)殁伜辖鹈芏鹊汀?qiáng)度高、耐腐蝕、熔點(diǎn)高，在3D打印汽車、航空航天和國防工業(yè)都將有很廣闊的應(yīng)用前景[1]。鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和機(jī)械性能，用其制作的零部件強(qiáng)度高、耐高溫。不銹鋼因其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)侵蝕性介質(zhì)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼是最廉價(jià)的金屬打印材料，打印的模型具有較高的強(qiáng)度[2]。鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高等，在制造業(yè)的強(qiáng)量化需求中得到了大量應(yīng)用。

1.2陶瓷材料

陶瓷材料具有高硬度、高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐熱（高達(dá)600℃）、可回收、無毒，可作為理想的炊具餐具和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家具裝飾材料[3]。但其強(qiáng)度不高，硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形困難，尤其是復(fù)雜陶瓷件需通過磨具來成形，而模具加工成本高且開發(fā)周期長，難以滿足產(chǎn)品的需求。已有報(bào)道，西英格蘭大學(xué)研究人員開發(fā)了一種改進(jìn)型的3D打印陶瓷技術(shù)，根據(jù)CAD數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行打印、燒制、上釉和裝飾，消除了先前陶瓷產(chǎn)品原型沒法過火或測試釉質(zhì)的問題[4]。比利時(shí)在2012年應(yīng)用陶瓷材料搭建了一臺(tái)快速制造的3D打印機(jī)，為制作精細(xì)和新形式的傳統(tǒng)陶藝技術(shù)提供了可能。

1.3復(fù)合材料

2014年美國硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室推出制造高強(qiáng)度碳復(fù)合材料最終產(chǎn)品的3D打印技術(shù)，打印出了碳纖維增強(qiáng)尼龍基體的復(fù)合材料，尼龍基體是比PEEK更低端的聚合物樹脂。比起傳統(tǒng)方法，3D打印更精確地控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機(jī)械、電和熱性能，而不是像傳統(tǒng)的擠出或注塑方法來定型。且由于3D打印的復(fù)合材料零件一次只能制造一次，每層可以實(shí)現(xiàn)任何所需的纖維取向。復(fù)合材料的增強(qiáng)相不僅可用碳纖維，還可以用玻璃纖維。該技術(shù)主要針對(duì)航空航天、國防和醫(yī)療應(yīng)用的零件產(chǎn)品，有望開發(fā)出更輕、更強(qiáng)、更持久的組件[5-6]。

1.4聚合物

聚合物中應(yīng)用較多的兩類塑料是ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯） 和PLA（Poly Lactic Acid即聚乳酸）。ABS具有高強(qiáng)度、良好的柔韌性、機(jī)械加工性及抗高溫性能，是3D打印最常用的熱塑性塑料[7]。ABS材料顏色種類多， PC材料顏色較單一，只有白色，但其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右。PC-ABS材料是綜合性能優(yōu)異的工程塑料，具備了ABS的韌性和PC的高強(qiáng)度及耐熱性[8]。PLA是一種環(huán)境友好型塑料，可生物降解為活性堆肥。PLA抵抗溫度變化能力弱，當(dāng)溫度超過50℃時(shí)就發(fā)生變形，從而制約了其在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。Polysulfone（PSU）類材料是所有熱塑性材料中強(qiáng)度最高，抗腐蝕性和耐熱性最好的材料，通常以最終零部件使用，廣泛用于交通工具、航空航天和醫(yī)療行業(yè)。此外，其它新型的聚合物材料如尼龍類材料、彈性塑料等也被引進(jìn)了3D打印領(lǐng)域。

2.展望

現(xiàn)有的3D打印材料，從價(jià)格上來看，便宜的幾百塊1kg，貴則約4萬元1kg，打印成本昂貴。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，未來還會(huì)出現(xiàn)更多的性能優(yōu)異且價(jià)格低廉的打印材料。隨著3D技術(shù)的不斷成熟，打印出的產(chǎn)品的成本會(huì)不斷降低。3D打印在醫(yī)療行業(yè)、骨骼打印、科學(xué)研究、文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)等的應(yīng)用將會(huì)得到更好的發(fā)展。3D打印技術(shù)也逐步進(jìn)入人們的生活，3D打印機(jī)將越來越平民化。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]3D打印在鈦合金制造領(lǐng)域應(yīng)用解讀.（2014-01-21）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-01/ART-132102-11000-28770696.html.

[2]解密3D打印[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2013（2）：15-19.

[3]Ceramic scaffolds produced by computer-assisted 3D printing and sintering： Characterization and biocompatibility investigations.Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，93（1）：212-217.

[4]西英格蘭大學(xué)開發(fā)出改進(jìn)型3D打印陶瓷技術(shù).（2014-04-08）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28795292.html.

[5]Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube-reinforced high performance materialsfor3Dprintingprocess.http：//www.businesswire.com/news/home/20140324005

722/en#.U2UCiPnh94k.

[6]美實(shí)驗(yàn)室3D打印出高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料.（2014-04-17）http：//3dprint

.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28798510.html.

[7]Thedifference between ABS and PLA for 3D printing.http：//www.protoparadigm.com/blog/2013/01/the-difference-between-abs-and-pla-for-3d-printing.

[8]聚碳酸酯及聚碳酸酯合金導(dǎo)熱絕緣高分子材料的研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2007，28（4）：51-54.