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常見3D打印材料簡介
2015年05月09日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:10028
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      3D打印,是通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術。這種逐層堆積成形技術又被稱作增材制造。與傳統制造技術相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造過程中去除大量的材料,也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品,因此,在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等,也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。3D打印材料是3D打印的物質基礎,也是當前制約3D打印發展的瓶頸,本文將向讀者簡要介紹當前3D打印材料的類型及發展現狀。



      3D打印材料是3D打印技術發展的重要物質基礎,在某種程度上,材料的發展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。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打印領域得到了應用。3D打印耗材形態多數為粉末狀,也有絲狀、層片狀、液體狀等。通常,根據打印設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。


      1、工程塑料


      工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料,常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是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。


      ABS材料的顏色種類很多,如象牙白、白色、黑色、深灰、紅色、藍色、玫瑰紅色等,在汽車、家電、電子消費品領域有廣泛的應用。


      PC材料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,應用于交通工具及家電行業。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,廣泛應用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫療器械等領域。


      尼龍玻纖是一種白色的粉末,與普通塑料相比,其拉伸強度、彎曲強度有所增強,熱變形溫度以及材料的模量有所提高,材料的收縮率減小,但表面變粗糙,沖擊強度降低。材料熱變形溫度為110℃,主要應用于汽車、家電、電子消費品領域。


      PC-ABS材料是一種應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,大多應用于汽車、家電及通信行業。使用該材料配合FORTUS設備制作的樣件強度比傳統的FDM系統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材料是一種通過醫學衛生認證的白色熱塑性材料,具有很高的強度,廣泛應用于藥品及醫療器械行業,用于手術模擬、顱骨修復、牙科等專業領域。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,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。


      POLYSULFONE(PSU)類材料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、交通工具及醫療行業。PSU類材料能帶來直接數字化制造體驗,性能非常穩定,通過與RORTUS設備的配合使用,可以達到令人驚嘆的效果。


      2、光敏樹脂


      光敏樹脂即ultraviolet rays(UV)樹脂,由聚合物單體與預聚體組成,其中加有光(紫外光)引發劑(或稱為光敏劑)。在一定波長的紫外光(2500~300nm)照射下能立刻引起聚合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態,可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前,研究光敏材料3D打印技術的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環氧樹脂。


     3、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用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。


      4、金屬材料


      近年來,3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造,其中,金屬材料的3D打印技術發展尤其迅速。在國防領域,歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展,不惜投入巨資加以研究,而3D打印金屬零部件一直是研究和應用的重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒度分布窄、氧含量低。目前,應用于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。


      鈦是一種重要的結構金屬,鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于制作飛機發動機壓氣機部件,以及火箭、導彈和飛機的各種結構件。鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金,它的抗腐蝕性能和機械性能都非常優異,用其制作的零部件強度高、耐高溫。采用3D打印技術制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件,強度非常高,尺寸精確,能制作的最小尺寸可達1mm,而且其零部件機械性能優于鍛造工藝。


      不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕而得到廣泛應用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經常使用的一類性價比較高的金屬粉末材料。3D打印的不銹鋼模型具有較高的強度,而且適合打印尺寸較大的物品。


      5、陶瓷材料


      陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性,在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難,特別是復雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發周期長,難以滿足產品不斷更新的需求。


      3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。由于粘結劑粉末的熔點較低,激光燒結時只是將粘結劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結在一起。在激光燒結之后,需要將陶瓷制品放入到溫控爐中,在較高的溫度下進行后處理。陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多,燒結比較容易,但在后置處理過程中零件收縮比較大,會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少,則不易燒結成形。顆粒的表面形貌及原始尺寸對陶瓷材料的燒結性能非常重要,陶瓷顆粒越小,表面越接近球形,陶瓷層的燒結質量越好。


      陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大,在快速凝固過程中會產生較大的熱應力,從而形成較多微裂紋。目前,陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟,國內外正處于研究階段,還沒有實現商品化。


      6、其他3D打印材料


      除了上面介紹的3D打印材料外,目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等材料。


      彩色石膏材料是一種全彩色的3D打印材料,是基于石膏的、易碎、堅固且色彩清晰的材料。基于在粉末介質上逐層打印的成型原理,3D打印成品在處理完畢后,表面可能出現細微的顆粒效果,外觀很像巖石,在曲面表面可能出現細微的年輪狀紋理,因此,多應用于動漫玩偶等領域。


      3D打印技術與醫學、組織工程相結合,可制造出藥物、人工器官等用于治療疾病。加拿大目前正在研發“骨骼打印機”,利用類似噴墨打印機的技術,將人造骨粉轉變成精密的骨骼組織。打印機會在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑,使薄膜變得更堅硬。


      美國賓夕法尼亞大學打印出來的鮮肉,是先用實驗室培養出的細胞介質,生成類似鮮肉的代替物質,以水基溶膠為粘合劑,再配合特殊的糖分子制成。還有尚處于概念階段的用人體細胞制作的生物墨水,以及同樣特別的生物紙。打印的時候,生物墨水在計算機的控制下噴到生物紙上,最終形成各種器官。食品材料方面,目前,砂糖3D打印機candyfab4000可通過噴射加熱過的砂糖,直接做出具有各種形狀,美觀又美味的甜品。


      小結:近年來,3D打印技術得到了快速的發展,其實際應用領域逐漸增多。但3D打印材料的供給形勢卻并不樂觀,成為制約3D打印產業發展的瓶頸。目前,我國3D打印原材料缺乏相關標準,國內有能力生產3D打印材料的企業很少,特別是金屬材料主要依賴進口,價格高。這就造成了3D打印產品成本較高,影響了其產業化的進程。因此,當前的迫切任務之一是建立3D打印材料的相關標準,加大對3D打印材料研發和產業化的技術和資金支持,提高國內3D打印用材料的質量,從而促進我國3D打印產業的發展。可以預計,3D打印技術的進步一定會促進我國制造業的跨越發展,使我國從制造業大國成為制造業強國。

(粉體圈  作者:敬之)

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