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全面解析3D打印材料

  3D打印,是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。这种逐层堆积成形技术又被称作增材制造。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,是快速成型技术的一种,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。

  


  3D打印制造技术主要由3个关键要素组成:

  一是产品需要进行精准的三维设计,运用计算机辅助设计(CAD)工具对产品全方位精准定位;

  二是需要强大的成型设备;

  三是需要满足制品性能和成型工艺的材料。

  由于3D打印制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理,是对传统制造模式的一种颠覆,因此3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈,也是3D打印突破创新的关键点和难点所在,只有进行更多新材料的开发才能拓展3D打印技术的应用领域。天津天易多维科技有限公司介绍,目前,3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。

  1、工程塑料

  工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,常见的有丙烯腈-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材料因具有良好的热熔性、冲击强度,成为通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。目前主要是将ABS预制成丝、粉末化后使用,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。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大,而且性能不断提升,借助ABS强大的粘接性、强度通过对ABS的改性,使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。

  2014年国际空间站用ABS塑料3D打印机为其打印零件;世界上最大的3D打印机材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30,专为3D打印制造设计,机械性能比传统的ABS材料提高了67%,从而扩大了ABS的应用范围。


  2)PA

  PA强度高,同时具有一定的柔韧性,因此可直接利用3D打印制造设备零部件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件强度韧性很高,可用于机械工具代替金属工具。另外,由于PA的粘接性和粉末特性,可与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉等混合,通过粘接实现陶瓷粉、玻璃粉、金属粉的低温3D打印。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家,基于PA的工程塑料进行3D打印样件,用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。用工程塑料替代传统的金属材料,最终解决了汽车的轻量化问题。

  3)PC

  PC具有优异的强度,其强度比ABS材料高出60%左右,因此适合于超强工程制品的应用。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家,基于PA的工程塑料进行3D打印样件,用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。


  4)PPFS

  PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性,在各种快速成型工程塑料材料之中性能最佳,通过碳纤维、石墨的复合处理,PPSF显示出极高的强度,可用于3D打印制造高承受负荷的制品,成为替代金属、陶瓷的首选材料。

  5)PEEK

  PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点,是理想的人工骨替换材料,适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单,通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。


  6)EP

  EP(Elasto Plastic)即弹性塑料,是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料,它能够避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题。顾名思义,Elasto Plastic是一种新型柔软的3D打印材料,在进行塑形时和ABS一样均采用“逐层烧结”原理,但打印的产品却具有相当好的弹性,易于恢复形变。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。

  7)Endur

  Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料—Endur,它是一种先进的仿聚丙烯材料,可满足各种不同领域的应用需求。Endur材料具有高强度、柔韧度好和耐高温性能,用其打印的产品表面质量佳,且尺寸稳定性好,不易收缩。Endur具有出色的仿聚丙烯性能,能够用于打印运动部件、咬合啮合部件以及小型盒子和容器。

  2、生物塑料

  3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羟基丁酸酯(PHB)、聚-羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(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,它具有多种半透明色和光泽质感。作为一种环境友好型塑料,聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它源于可再生资源—玉米淀粉和甘蔗,而不是非可再生资源——化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan K H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中,采用3D技术成型生物可降解的高分子材料,制造了高孔隙度的PLA组织工程支架,通过对该支架进行组织分析,发现其具有生长能力。

  2)PETG

  PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性,热成型周期短、温度低、成品率高。PETG作为一种新型的3D打印材料,兼具PLA和ABS的优点。在3D打印时,材料的收缩率非常小,并且具有良好的疏水性,无需在密闭空间里贮存。由于PETG的收缩率低、温度低,在打印过程中几乎没有气味,使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。

  3)PCL

  PCL是一种生物可降解聚酯,熔点较低,只有60℃左右。与大部分生物材料一样,人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等,同时,PCL还具有形状记忆性。在3D打印中,由于它熔点低,所以并不需要很高的打印温度,从而达到节能的目的。在医学领域,可用来打印心脏支架等。


  3、热固性塑料

  热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点,非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物工程研究所联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料,这种环氧树脂可3D打印成建筑结构件用在轻质建筑中。

  4、光敏树脂

  光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成,由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性,使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度,表干性能优异,成型后产品外观平滑,可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分,非常适合个人桌面3D打印系统。

  5、高分子凝胶

  高分子凝胶具有良好的智能性,海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印,在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后,形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时,凝胶的体积也会相应地变化,用于形状记忆材料;凝胶溶胀或收缩发生体积转变,用于传感材料;凝胶网孔的可控性,可用于智能药物释放材料。