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史上最全3D打印材料解析(完整版) 

2017-06-14 19:15
3D打印領(lǐng)域,3D打印材料始終扮演著舉足輕重的角色,因此3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),在某種程度上,材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別,其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常,根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同,所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1~100μm不等,而為了使粉末保持良好的流動性,一般要求粉末要具有高球形度。
對于3D打印材料來講,當(dāng)下市場上的材料已不下200余種,且隨著技術(shù)的研發(fā)和進步,材料種類的更新度也會越來越快。那么,怎樣才能更好更快更系統(tǒng)的認(rèn)識材料呢?
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目前3D打印常見的材料有哪些呢?

①ABS塑料
ABS是目前產(chǎn)量最大,應(yīng)用最廣泛的聚合物,它將PS,SAN,BS的各種性能有機地統(tǒng)一起來,兼有韌、硬、剛的特性。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物,A代表丙烯腈,B代表丁二烯,S代表苯乙烯。
ABS塑料一般是不透明的,外觀呈淺象牙色、無毒、無味,有極好的沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性,成型加工和機械加工都比較好。


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②PLA塑料
PLA(聚乳酸)是一種新型的生物降解材料,使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。聚乳酸的相容性、可降解性、機械性能和物理性能良好,適用于吹塑、熱塑等各種加工方法,加工方便,應(yīng)用十分廣泛。同時也擁有良好的光澤性和透明度及良好的抗拉強度及延展度。


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(強韌PLA材料制作的3D打印電吉他)
Tips:ABS或PLA?3D打印線材哪種好?
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PLA和ABS材料可以制作的東西多種多樣,并且有很多重疊。因此從普通產(chǎn)品本身很難判斷,對比觀察ABS呈亞光,而PLA很光亮。加熱到195度,PLA可以順暢擠出,ABS不可以。加熱到220度,ABS可以順暢擠出,PLA會出現(xiàn)鼓起的氣泡,甚至被碳化。碳化會堵住噴嘴,非常危險。

③工程塑料

工程塑料是指被用作的工業(yè)零件或者外殼材料的工業(yè)用塑料。相比其它材料,兼有強度、耐沖擊性、抗老化、硬度等性能指標(biāo)兼顧的平衡優(yōu)點。因此它也是目前3D 打印中應(yīng)用最為廣泛的材料。常見的工程塑料種類包括工業(yè)ABS材料、PC類材料、尼龍類材料等。


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工業(yè)ABS材料
它是FDM(熔融沉積造型)快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料,具有強度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點,正常變形溫度超過90℃,可進行機械加工(鉆孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍。
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3D打印的ABS行星齒輪和車鏈模型(圖片來源:Stratasys
PC材料
它是真正的熱塑性材料,具備工程塑料的所有特性:高強度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲,可以作為最終零部件使用。使用PC材料制作的樣件,可以直接 裝配使用,應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。PC材料的顏色比較單一,只有白色,但其強度比ABS材料高出60%左右,具備超強的工程材料屬性,廣泛應(yīng)用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
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3D打印吹塑成型模具(圖片來源:Stratasys)
尼龍材料
它是一種白色的粉末,SLS尼龍粉末材料具有質(zhì)量輕,耐熱,磨擦系數(shù)低,耐磨損等特點。粉末粒徑小,制作模型精度高。燒結(jié)制件不需要特殊的后處理,即可以具有較高的抗拉伸強度。在顏色方面的選擇沒有像PLA和ABS這么廣,但可以通過噴漆、浸染等方式進行色彩的選擇和上色。材料熱變形溫度為110℃,主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品、藝術(shù)設(shè)計及工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。
特點:燒結(jié)溫度—粉末熔融溫度180℃;燒結(jié)制件不需要特殊的后處理,即可以具有較高抗拉伸強度。并且尼龍粉末燒結(jié)快速成型過程中,需要較高的預(yù)熱溫度,需要保護氣氛,設(shè)備性能要求高。


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PC-ABS材料
它是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC-ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性,大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)。 使用該材料配合FORTUS設(shè)備制作的樣件強度比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)制作的部件強度高出60%左右,所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、 制造工具及最終零部件等熱塑性部件。
PC-ISO材料
它是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料,具有很高的強度,廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè),用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)域。同時,因為具備PC的所有性能,也可以用于食品及藥品包裝行業(yè),做出的樣件可以作為概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件使用。
PSU類材料
它是一種琥珀色的材料,熱變形溫度為189℃,是所有熱塑性材料里面強度最高,耐熱性最好,抗腐蝕性最優(yōu)的材 料,通常作為最終零部件使用,廣泛用于航空航天、交通工具及醫(yī)療行業(yè)。PSU類材料能帶來直接數(shù)字化制造體驗,性能非常穩(wěn)定,通過與RORTUS設(shè)備的配合使用,可以達到令人驚嘆的效果。
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。
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瑞典將嘗試用這種技術(shù)打印房屋

④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)。
常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

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somos NEXT材料
白色材質(zhì),類PC新材料,韌性非常好,基本可達到selective laser sintering(SLS,選擇性激光燒結(jié))制作的尼龍材料性能,而精度和表面質(zhì)量更佳。somos NEXT材料制作的部件擁有迄今最優(yōu)的剛性和韌性,同時保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優(yōu)點,主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品等領(lǐng)域。



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3D打印散熱器風(fēng)扇和耳塞套(圖片來源:Stratasys)
somos11122材料
看上去更像是真實透明的塑料,具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性,能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類似工程塑料的特性,這些特性使它很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。
somos19120材料
為粉紅色材質(zhì),是一種鑄造專用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_發(fā)模具的風(fēng)險,**縮短周期,擁有低留灰燼和高精度等特點。
環(huán)氧樹脂
是一種便于鑄造的激光快速成型樹脂,它含灰量極低(800℃時的殘留含灰量<0.01%),可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系,而且不含重金屬銻,可用于制造極其精密的快速鑄造型模。


⑤橡膠類材料
橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征,這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度,使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。
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(橡膠與木材混合打印的眼鏡)

⑥金屬材料

3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前,應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等,此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

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轉(zhuǎn)子和葉片組合的一次性制造,資料來源:RSC Engineering GmbH

金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,例如,石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時裝等。


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采用金屬粉末進行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趨勢,它可以**加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度,具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬粉末的選區(qū)燒結(jié)方法中,常用的金屬粉末有3種:
(1)金屬粉末和有機粘結(jié)劑的混合體,按一定比例將2種粉末混合均勻后進行激光燒結(jié)。
(2)兩種金屬粉末的混合體,其中一種熔點較低,在激光燒結(jié)過程中起粘結(jié)劑的作用。
(3)單一的金屬粉末,對單元系燒結(jié),特別是高熔點的金屬,在較短的時間內(nèi)需要達到熔融溫度,需要很大功率的激光器,直接金屬燒結(jié)成形存在的最大問題是因組織結(jié)構(gòu)多孔導(dǎo)致制件密度低、力學(xué)性能差。

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工具鋼金屬材料
工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力,以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種,能夠承受不確定時間的工藝條件。
不銹鋼金屬材料
不銹鋼與碳鋼不同,目前的鉻含量不同,10.5%鉻含量最低的鋼合金,不銹鋼不容易生銹腐蝕。

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奧氏體不銹鋼316L,具有高強度和耐腐蝕性,可在很寬的溫度范圍下降到低溫,可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用,也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。
馬氏體不銹鋼15-5PH,又稱馬氏體時效(沉淀硬化)不銹鋼,具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性,而且可以進一步的硬化,是無鐵素體。目前,廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。
馬氏體不銹鋼17-4PH,在高達315℃下仍具有高強度高韌性,而且耐腐蝕性超強,隨著激光加工狀態(tài)可以帶倆極佳的延展性。
合金金屬材料
金屬3D打印材料應(yīng)用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。
鈦合金
目前應(yīng)用于市場的純鈦,又稱商業(yè)純鈦,分為1級和2級粉體,2級強于1級,對于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性,因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級,因為其優(yōu)異的強度和韌性,結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用,而且,因為強度高、模量低、耐疲勞性強,應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級,純度更高,是神級一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級。
鋁合金
目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12,是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末,可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度,使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件,尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

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銅基合金-青銅粉
應(yīng)用于市場的銅基合金,俗稱青銅,具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,可以結(jié)合設(shè)計自由度,產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道,適合冷卻更有效的工具**模具,如半導(dǎo)體器件,也可用于微型換熱器,具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。
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貴金屬材料

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。

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⑦陶瓷材料

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性,在航空航天、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(可達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。


但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難,特別是復(fù)雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發(fā)周期長,難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求。

選擇性激光燒結(jié)陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑,其覆膜粉末制備工藝與覆膜金屬粉末類似,被包覆的陶瓷可以是Al2O3,ZrO2和SiC等,粘結(jié)劑的種類很多,有金屬粘結(jié)劑和塑料粘結(jié)劑(包括樹脂、聚乙烯蠟、有機玻璃等),也可以使用無機粘結(jié)劑。
用途:
(1)將陶瓷粉末及粘合劑按一定的比例混合均勻燒結(jié),經(jīng)二次燒結(jié)處理工藝后獲得鑄造用陶瓷型殼,用該陶瓷型殼進行澆注即獲得制作的金屬零件。
(2)也可以直接制造工程陶瓷制件,燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理,零件最后相對密度高達99.9%,在工業(yè)方面可用于含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。


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⑧復(fù)合型石膏粉末(全彩砂巖)
3D打印領(lǐng)域里使用較為廣泛的材料之一。由全彩砂巖制作的對象色彩感較強,3D打印出來的產(chǎn)品表面具有顆粒感,打印的紋路比較明顯使物品具有特殊的視覺效果。它的質(zhì)地較脆容易損壞,并且不適用于打印一些經(jīng)常置于室外或極度**環(huán)境中的對象。
但當(dāng)一個設(shè)計師希望使用多種顏色打印他們的設(shè)計時,他們往往選擇的是彩色砂巖。因為它可以打印多種顏色,顏色層次和分辨率都很好。砂巖打印出的的模型較為完美并且栩栩如生。因此全彩砂巖被普遍應(yīng)用于制作模型、人像、建筑模型等室內(nèi)展示物。

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⑨藍蠟和紅蠟
采用多噴嘴立體打印(MJM)技術(shù),表面光滑;蠟?zāi)?,用于精密鑄造,超越以前純模型制作與展示功能 。 可用于標(biāo)準(zhǔn)熔模材料和鑄造工藝的熔模鑄造應(yīng)用,是制作珠寶、服飾、醫(yī)療器械、機械部件、雕塑、復(fù)制品、收藏品進行石蠟?zāi)P褪炶T造工藝。

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