3D打印耗材質量改進的相關研究

焦 陽

（安徽省蕪湖市瀚搏電子科技有限公司,安徽 蕪湖 241000）

3D打印耗材質量改進的相關研究

焦 陽

（安徽省蕪湖市瀚搏電子科技有限公司,安徽 蕪湖 241000）

3D打印技術是快速成型領域新增的一種三維實體打印技術，具有操作簡便易行、成型速度快、成型件精準無誤的優勢，且整個過程基本無污染。隨著3D打印技術的不斷成熟和進步，其更加廣泛的應用于生物醫藥、航空航天、建筑工程等領域。3D 打印技術發展的物質基礎是耗材，耗材的性能、種類等因素直接影響著3D打印產品的質量和功能，因此如何推動3D打印耗材質量改進顯得尤為重要。

3D打印耗材；質量；問題

0 引言

3D打印又稱被稱為增材制造，屬于快速成型技術，選用可粘合材料，主要有粉末狀金屬、聚合物、陶瓷、塑料，以數字模型文件為基礎，逐層堆疊累積來生產產品。當前條件下，制約3D打印技術發展的兩個主要因素是打印耗材和打印設備，而相比于打印設備的研究和開發，打印耗材的研發更是難上加難，成為目前制約3D打印發展的至關因素。普通打印機的耗材主要是紙張和墨水，3D打印機使用的材料是膠水與粉末，且不能直接拿來采用，一定要先經過必要處理，同時對材料的固化反應速度等等也有較高要求。本文筆者介紹了用于3D打印的幾類主要耗材，分析了當前3D打印耗材發展所面臨的問題及研究進展，并提出了相關對策。

1 3D打印耗材

1.1 金屬材料

金屬材料力學強且導電性良好，目前利用其制造的3D打印產品已被廣泛應用，在3D打印市場中占據很大一部分。所使用的金屬材料必須符合粒徑分布窄、含氧量低、純凈度高等特殊條件，通常是粉末狀。鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料是目前使用比較多的3D金屬打印材料[1]。鈦合金的優勢在于低密度、高強度、耐高溫且耐腐蝕，主要應用于汽車、火箭、導彈和航空航天等領域，且發展前景可觀；鈷和鉻是鈷鉻合金的主要成分，優勢在于抗腐蝕性能和機械性能良好，用其制作的零部件耐高溫、強度高，一般用于制造一些精密的儀器；不銹鋼材料耐腐蝕性強，且價格低廉，主要用于制作一些尺寸較大的3D打印產品；質輕、強度高是鎂鋁合金強于其他材料的優勢，在一定程度上滿足了制造業的強量化需求。

1.2 復合材料

美國硅谷Arevo實驗室于2014年推出一項全新的3D打印技術，通過該技術順利打印出了碳纖維增強尼龍基體（比PEEK更低端的聚合物樹脂）的復合材料。傳統打印模式是通過注塑或擠出方法來定型，與之相比，3D打印更加靈活、精準，在精確控制碳纖維取向的同時，還能優化機械、電和熱性能，生產的復合材料零件任何一層都可實現其所需的纖維取向。航空航天、國防和醫療所使用的零件產品大部分都是利用復合材料來生產的，未來通過不斷的探索和研究，有望開發出更輕、更強、更持久的組件。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料的優勢在于硬度高、密度低、耐腐蝕且耐高溫，較多的應用于汽車、生物等行業領域。3D打印的陶瓷制品耐熱性能極好，可高達600℃，且不透水、無毒，并能廢物回收利用，可作為炊具、餐具、花瓶、瓷磚等家具裝飾的首選材料。但陶瓷材料存在強度不高的不足，加工成形比較困難，尤其是構造相對比較復雜的陶瓷件必須利用磨具來成形，而模具加工費用較高且開發耗時較長，很難滿足產品的需求。據有關報道，西英格蘭大學研發人員成功開發了一種改進型的陶瓷3D打印技術，在CAD數據的基礎上，可直接進行打印、燒制、上釉和裝飾，在節省時間和成本的同時，解決了原陶瓷產品原型無法過火和測試釉質的困難[2]。

1.4 聚合物

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）和PLA（聚乳酸）是聚合物中應用較多的兩類塑料。ABS是3D打印最常用的熱塑性塑料，強度高、機械加工性和柔韌性較佳、抗高溫。ABS材料顏色和種類比較多樣，而PC材料單一，只有白色，但其強度又明顯優于ABS材料。PC-ABS材料綜合性就比較強，具備ABS韌性的同時，又有PC的高強度及耐熱性，可首選為工程塑料[3]。但是PLA耐溫性差，溫度不得高于50℃，一旦溫度大于50℃，材料就會變形，這一不足導致其不能在3D打印領域大量應用。PSU類材料在所有的熱塑性材料中強度最高，耐熱性和抗腐蝕性最佳，主要用來制造最終零部件，廣泛應用于交通運輸工具、航空航天等領域。

2 我公司對打印耗材的改進處理

目前市場上的3D打印耗材種類較少且性能不是特別穩定，我們公司對3D打印耗材做必要的物理改性處理，開發一套性能穩定，種類齊全的3D打印耗材。

（1）通過改善材料的結晶速率，提高冷卻速度來實現打印過程中的快速成型；通過對材料進行改性研究來改善打印制品的翹曲變形問題及打印流暢性問題。

（2）通過物理共混改性方法，添加某種功能性物質及其輔助材料，使產品達到上述所列的功能性要求。

（3）通過制定全球通用的打印材料的規格、功能、顏色及性能指標等來確定統一的標準。

（4）通過使用資源可再生材料或生物材料，環保無毒助劑等方式實現環保要求。

3 3D打印技術目前的缺陷

目前，塑料仍是桌面級3D打印的主要材料，3D打印導致的層間粘結會引發打印模型產生各向異性的力學缺陷。對于3D打印技術目前的缺陷，Z—Corporation等3D打印公司致力于研究優化現有打印耗材的屬性，目的在于提高產品性能；在研究現有材料的同時，努力開發全新的、性能更高的打印材料。很多高校也陸續開展了相關課題，研究不同材料組合，致力于彌補缺陷，開發出高性能結構的新型材料。

4 多樣式的材料打印技術

目前，有很多的桌面級3D打印機還只能應用于打印單一材料模型。現在很多的3D打印機都有雙噴頭或者三噴頭，但是在實際應用中，多噴頭的打印機還在不斷的試驗探索中，Bayless等人開發的線軸擠出機，可在塑料上打印金屬絲，將來可實現打印電路板；Braanker等人設計的顆粒擠出機，可加工出多種材料的顆粒。未來，多噴頭打印中途頻繁轉換3D打印噴頭出現的線材擠出不流暢的問題會成為以后研究的重中之重。

[1]唐通鳴,陸燕,李志揚,倪紅軍,聶富強.新型3D打印材料ABS的制備及性能研究[J].現代化工,2015(07).

[2]陳慶,曾軍堂,陳韋坤.3D打印塑料材料技術現狀和發展趨勢[J].新材料產業,2015(06).

[3]張云波,喬雯鈺,張鑫鑫,馬芳,翟蓮娜,顧哲明.3D打印用高分子材料的研究與應用進展[J].上海塑料,2015(01).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.249