常見3D打印材料有哪些？

隨著科技的不斷發(fā)展，一些新型的打印技術(shù)逐漸走向大眾的視野。和造紙行業(yè)以及傳統(tǒng)印刷不同的是，3D打印的效果更加逼真，材料更加多樣。今天，中國紙業(yè)網(wǎng)就帶大家走進(jìn)3D打印，去看看新型的科技材料有哪些。

3D打印是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用粉末狀的可粘合材料(如金屬、塑料等)，通過數(shù)字技術(shù)材料逐層打印來構(gòu)造物體。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，3D打印已走入尋常百姓家。

3D打印技術(shù)一開始常見于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)，后來逐漸普及到建筑、汽車、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。3D打印憑借其獨(dú)特的制造技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)制造模式，也同樣賦予產(chǎn)品新的特性。而3D打印材料是這一技術(shù)發(fā)展過程中的靈魂，也是實(shí)現(xiàn)D打印技術(shù)突破技術(shù)瓶頸不斷創(chuàng)新的關(guān)鍵。

3D打印材料類型可以從不同方面進(jìn)行分類。根據(jù)化學(xué)性能可分為聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料，根據(jù)物理狀態(tài)可分為絲狀材料、粉末材料、液體材料、薄片材料。在打印技術(shù)方面可以分為熔融沉積成形(FDM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光近凈成形(LENS)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、多噴射熔融(MJF)、電弧增材制造(WAAM)等多種工藝。

目前3D打印經(jīng)常使用的材料主要是聚合物材料、金屬材料和陶瓷材料，發(fā)展至今也不斷有新材料加入其中，如人造骨粉、石膏、砂糖、細(xì)胞生物原料等。今天我們一起來了解一些常見的3D打印材料。

聚合物材料

光敏樹脂：適用于光固化成形，在特殊的光照(如紫外光)下能夠發(fā)生聚合反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)固化。用于3D打印的光敏樹脂材料一般要滿足固化前性能穩(wěn)定、反應(yīng)速度快、黏度適中、固化收縮小、固化后具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性以及毒性刺激性小等要求。另外由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對光敏樹脂材料還有諸如低灰分、無灰分、可生物降解等要求。

熱塑性聚合物：如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、尼龍(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚己內(nèi)酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚醚醚酮(PEEK)等都是常見的3D打印用熱塑聚合物材料。

根據(jù)打印方式對材料形態(tài)的要求，熔融沉積成型方式打印常使用絲材；激光選區(qū)燒結(jié)常使用粉材。由于工業(yè)上常用的聚合物原料大多以顆粒為主，制成絲材或粉材都要進(jìn)行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些單位開始研發(fā)以顆粒為原料的3D打印裝備。

·丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)

ABS材料具有良好的熱熔性、機(jī)械性和抗沖擊性，在3D打印工藝中應(yīng)用廣泛。它的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機(jī)械用品，多彩的顏色選擇也使其成為3D打印機(jī)用戶最喜愛的打印材料。

·聚乳酸(PLA)

PLA是一種環(huán)保型打印材料，與ABS相比，打印過程中不需要加熱床配合，更方便使用，在低端3D打印機(jī)上也可以進(jìn)行使用，也是使用廣泛的打印材料。

·尼龍(PA)

PA具有良好的力學(xué)性能，并且耐油性、耐熱性、耐腐蝕性也十分突出，是一種性能優(yōu)良的工程塑料。廣泛應(yīng)用于汽車、電子電氣、電動工具等行業(yè)。通過加入玻璃微珠、碳纖維、鋁粉等無機(jī)材料能夠使3D打印材料某些性能提高，更能滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

·聚己內(nèi)酯(PCL)

PCL材料具有無毒、低熔點(diǎn)的特性，適宜用于兒童使用的制品。另外PCL還有良好的生物相容性和降解性，在醫(yī)療領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用空間，在4D打印方面也有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?/p>

·熱塑性聚氨酯(TPU)

TPU具有一定的耐磨性、耐油性，彈性良好，適用于鞋材、個人消費(fèi)品、工業(yè)零件等的制造。結(jié)合3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)成形工藝難以制造的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，使得制件擁有獨(dú)特且可調(diào)控的力學(xué)性能。

·聚醚醚酮(PEEK)

PEEK具有高熔點(diǎn)和優(yōu)良的力學(xué)性能，在生物相容性方面也表現(xiàn)良好。目前對3D打印材料的開發(fā)中，PEEK正是其中的熱點(diǎn)之一。在尤其在醫(yī)療領(lǐng)域中，3D打印可以根據(jù)患者的不同情況提供個人方案定制，由于經(jīng)碳纖維增強(qiáng)的PEEK具有與人骨最為接近的楊氏模量，正成為骨科植入物中的理想材料。

金屬材料

鐵基合金：較常用的鐵基合金有工具鋼、316L不銹鋼、M2高速鋼、H13模具鋼和15-5PH馬氏體時效鋼等。鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時具有良好的機(jī)械加工性，特別適合于模具制造。

鈦及鈦基合金：鈦及鈦合金以其顯著的比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，成為醫(yī)療器械、化工設(shè)備、航空航天及運(yùn)動器材等領(lǐng)域的理想材料。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件尺寸精確，性能比鍛造工藝生產(chǎn)的同種零件更好。

鎳基合金：鎳基合金是一類發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的高溫合金，廣泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等領(lǐng)域。

鋁合金：鋁合金密度低，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高，且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，是一類理想的輕量化材料。

陶瓷材料

陶瓷材料具有硬度高、強(qiáng)度高、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在航天航空、電子、汽車、能源、生物醫(yī)療等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。由于其大多數(shù)材料熔點(diǎn)很高甚至沒有準(zhǔn)確熔點(diǎn)，因而在一定程度上還是限度了陶瓷材料的應(yīng)用。

傳統(tǒng)陶瓷材料：主要包括粘土、水泥及硅酸鹽玻璃等。傳統(tǒng)陶瓷的原料多為天然的礦物原料，分布廣泛且價格低廉，適合于日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、耐火材料、磨料、建筑材料等的制造。

新型陶瓷材料：采用高純度原料、可以人為調(diào)控化學(xué)配比和組織結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷，相比傳統(tǒng)陶瓷在力學(xué)性能上有顯著提高并具有傳統(tǒng)陶瓷不具備的各種聲、光、熱、電、磁功能。先進(jìn)陶瓷從用途上可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷常用來制造結(jié)構(gòu)零部件，要求有較高的硬度、韌性、耐磨性和耐高溫性能；功能陶瓷則用來制造功能器件，如壓電陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、敏感陶瓷、生物陶瓷等。

復(fù)合材料

碳纖維：碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，近年來成為科學(xué)界研究的新寵，也是3D打印中新興的打印材料。碳纖維的引入提高了打印件的剛性強(qiáng)度，且結(jié)晶度更加均勻，有望在未來得到進(jìn)一步發(fā)展。目前科學(xué)界有不少通過加入碳纖維來獲得新的3D復(fù)合打印材料的科研成果，如中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究團(tuán)隊(duì)對自主研發(fā)的碳纖維PEEK復(fù)合材料進(jìn)行3D打印工藝的系統(tǒng)研究獲得成功、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和辛辛那提公司展示了世界上第一個3D打印的用短纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料汽車車身等。

結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的提升，3D打印技術(shù)也日新月異，更多的3D打印材料面世，并逐漸延伸、深入到各個領(lǐng)域。小到零件螺母，大到航空航天器，3D打印技術(shù)的身影無處不在。

近年來不斷傳出新的關(guān)于3D打印材料被開發(fā)應(yīng)用的好消息，其中我國也取得了不少亮眼的成績，未來對于3D打印領(lǐng)域的科研角力還將繼續(xù)，我們一起期待。