2017年3D打印材料一覽

2017-11-09

增材制造技術(shù)作為全球制造業(yè)的新制造方式，從六七年前開始受到大眾的廣泛關(guān)注，而且還起了一個(gè)很接地氣、形象的名字“3D打印”。不過新的制造技術(shù)能否普及，還要看材料能否滿足日用需要，比如對塑料的大量應(yīng)用需求就使得注塑成型工藝很快成熟和普及了。六七年時(shí)間過去，我們來看看到2017年3D打印材料的種類和變化。

●3D打印基石工程塑料

正如傳統(tǒng)加工業(yè)，在3D打印領(lǐng)域最基礎(chǔ)、普及最廣的材料也是塑料。從2007年第一臺開源的桌面3D打印機(jī)RepRap開始，大眾接觸到最多的、桌面型3D打印設(shè)備使用最多的材料就是塑料，確切地說是ABS和PLA。

ABS和PLA塑料都具備很好的熱塑性，因此廣泛用在桌面級和商用級的FDM3D打印機(jī)上，經(jīng)過加熱熔融后擠出冷卻，來構(gòu)造三維模型。其實(shí)在傳統(tǒng)的注塑成型加工方式中ABS材料應(yīng)用也非常廣泛，其強(qiáng)度高、韌性好、易加工的特點(diǎn)廣泛用在各種儀器和設(shè)備外殼上。PLA材料在強(qiáng)度、韌性上都遜于ABS，不過因?yàn)楦迎h(huán)保、可降解、加熱無異味的原因，越來越多地用在桌面型3D打印機(jī)上，而且在展示模型結(jié)構(gòu)、構(gòu)造方面也沒有問題。

隨著時(shí)間的推移，越來越多的熱塑性塑料被試驗(yàn)用在3D打印設(shè)備上，包括PVC、PC、PA尼龍、TPU、PBT等等。而商業(yè)實(shí)用性的需要?jiǎng)t擴(kuò)展了3D打印塑料材料的性能和種類，在單一塑料材質(zhì)中加入添加劑、改性劑來實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)或幾項(xiàng)物理性質(zhì)的強(qiáng)化，比如增加強(qiáng)度、耐磨性、剛性等等，使得商用的3D打印制品應(yīng)用范圍不僅僅局限于模型、原型展示，而是大大拓展，甚至可以直接用作商品的最終零件。

最前沿的應(yīng)用例子之一，是StratasysULTEM熱塑性塑料用來3D打印地球衛(wèi)星的天線。ULTEM塑料經(jīng)過美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的多項(xiàng)測試和認(rèn)證，能夠耐受極端溫度、紫外線并且在真空環(huán)境中耐疲勞、抗衰老，被選作理想的衛(wèi)星零部件材料并且3D打印制成。其實(shí)這也是一種改性的塑料制品。

ULTEM材料用于地球衛(wèi)星

另外一種非常普遍的塑料材料也不得不提——尼龍（PA）。在商用型3D打印設(shè)備上尼龍更常見，而且也是一種熱塑性塑料，對FDM3D打印機(jī)和SLS（激光燒結(jié)）3D打印機(jī)都有很好的支持。

尼龍3D打印制品具備良好的力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐腐蝕性，并且尼龍相對潤滑。傳統(tǒng)熱塑成型工藝尼龍材料用在卡扣、塑料鉚釘、扎帶上，而3D打印的塑形能力再擴(kuò)展應(yīng)用，用在模型展示、鞋靴中底、工藝品、備用零件上，甚至柔性的尼龍還用來3D打印服裝面料，在時(shí)尚圈也有一席之地。

目前來看塑料材質(zhì)在3D打印行業(yè)中是最常見、使用最多的一類。

●決定應(yīng)用上限金屬和合金

工程塑料材料意味著3D打印技術(shù)的普及程度，而金屬和合金材料的應(yīng)用則決定了3D打印技術(shù)的上限，能夠用在特殊的場景或環(huán)境中。近兩年，適用3D打印的金屬種類大大豐富，而且最近的科研成果有望加入種類更豐富的合金材料。

2015年到2017年，資本更多地進(jìn)入到商業(yè)級和工業(yè)級應(yīng)用的金屬3D打印行業(yè)，隨之而出現(xiàn)了不銹鋼、鋁、金、銀、鉑金以及黃銅、青銅、鈦合金等多種金屬材料。除了在定制服務(wù)商處為普通消費(fèi)者定制配飾、禮品之外，金屬材料3D打印更尖端的應(yīng)用在于航空航天、國防軍事、船舶制造、衛(wèi)星通信方面。

定制服務(wù)商Shapeways支持貴金屬3D打印

英國雷尼紹曾3D打印完整的鈦合金自行車架來展示鈦合金件的輕量化、高強(qiáng)度，優(yōu)化的中空結(jié)構(gòu)使得3D打印車架重量僅1.4千克。相比碳纖維車架，鈦合金車架有更高的剛度和硬度，在山地車賽中經(jīng)常出現(xiàn)摔車場景，而鈦合金車架可以保障完好無損。

更進(jìn)一步，中國國產(chǎn)大飛機(jī)C919就采用了3D打印的大型鈦合金構(gòu)件。而2017年9月份，空中客車公司宣布在量產(chǎn)的A350XWB客機(jī)上使用鈦合金連接件支架，這是首次將金屬3D打印零件應(yīng)用在量產(chǎn)民航客機(jī)上。

同樣是在9月，《Nature》雜志發(fā)表文章，美國科學(xué)家在鋁合金材料粉末加入氫化鋯納米粒子并激光熔融3D打印，得到強(qiáng)度堪比鍛造材料的鋁合金3D打印件，避免了過去合金3D打印因應(yīng)力而常出現(xiàn)的裂紋。而這項(xiàng)研究的意義在于添加劑同樣適用于多種合金墨粉3D打印，有可能大大拓展3D打印支持的合金材料——傳統(tǒng)加工的合金材料種類有五千多種，這是一個(gè)豐富的資源池。

目前金屬3D打印技術(shù)和材料都是資本和行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用天花板恐怕就靠金屬3D打印來決定了。

●專行專用光敏樹脂

光敏樹脂由于美國Kickstarter眾籌明星Form13D打印機(jī)的緣故，一度與大眾距離非常近，當(dāng)時(shí)桌面型3D打印唯精度論，使用光敏樹脂耗材的Form1廣受關(guān)注。

確切地說光敏樹脂是包含光引發(fā)劑的混合物，在光照射下由粘稠的液體轉(zhuǎn)為固體。光敏樹脂特別用在SLA/DLP3D打印技術(shù)上，也用在某些噴射+光照固化技術(shù)中，比如Stratasys的PolyJet3D打印技術(shù)。

因此我們不能說光敏樹脂是某種化學(xué)物質(zhì)，它在不同的配比之后3D打印能夠得到類似ABS、尼龍等工程塑料材質(zhì)的樣品而物理性能更佳，甚至可以作為試制注塑模具。另外樹脂的性能決定了它的應(yīng)用方向，石蠟樹脂通常作為珠寶首飾的陰模，用于首飾鑄造；牙科樹脂則用于復(fù)原牙床結(jié)構(gòu)，制作義齒。

石蠟樹脂打印成型的戒面蠟?zāi)?/span>

牙科樹脂復(fù)原牙床形狀

美國研究人員更研制出陶瓷性質(zhì)光敏樹脂，3D打印成品高溫?zé)坪缶邆滹@著陶瓷特性，能夠耐1700攝氏度高溫、絕緣并且隔熱，有望用在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。
耐高溫的3D打印陶瓷

還有很多專用的3D打印材料，包括用于金屬制模的砂石材料，用于全彩人像3D打印的石膏材料，用于建造房屋的混凝土等等。新材料不斷，每一種材料都意味著一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

全彩3D打印人像石膏材質(zhì)

3D打印混凝土材料蓋房子

當(dāng)然從新材料開發(fā)到成熟，再到試用、商用化以及最終大規(guī)模量產(chǎn)，需要一個(gè)很長的過程，涉及普通消費(fèi)者的接納程度、健康和安全因素，3D打印新材料和技術(shù)的應(yīng)用推廣還需要幾年時(shí)間。我們樂意見到新技術(shù)、新材料給生活帶來改變和升級，橡膠、碳纖維、鋰電池?zé)o一不是如此。