分享全面的3D打印材料

               
发布时间:2019.11.27 14:49:39 星期三
               
摘要:

3D打印领域,3D打印材料始终扮演着举足轻重的角色,因此3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础,在某种程 […]

3D打印领域,3D打印材料始终扮演着举足轻重的角色,因此3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础,在某种程度上,材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。

3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的,与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常,根据打印设备的类型及操作条件的不同,所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1~100μm不等,而为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球形度。

对于3D打印材料来讲,当下市场上的材料已不下200余种,且随着技术的研发和进步,材料种类的更新度也会越来越快。那么,怎样才能更好更快更系统的认识材料呢?

目前3D打印常见的材料有哪些呢?

①ABS塑料

ABS是目前产量最大,应用最广泛的聚合物,它将PS,SAN,BS的各种性能有机地统一起来,兼有韧、硬、刚的特性。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,外观呈浅象牙色、无毒、无味,有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性,成型加工和机械加工都比较好。

②PLA塑料

PLA(聚乳酸)是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。聚乳酸的相容性、可降解性、机械性能和物理性能良好,适用于吹塑、热塑等各种加工方法,加工方便,应用十分广泛。同时也拥有良好的光泽性和透明度及良好的抗拉强度及延展度。

(强韧PLA材料制作的3D打印电吉他)

Tips:ABS或PLA?3D打印线材哪种好?

PLA和ABS材料可以制作的东西多种多样,并且有很多重叠。因此从普通产品本身很难判断,对比观察ABS呈亚光,而PLA很光亮。加热到195度,PLA可以顺畅挤出,ABS不可以。加热到220度,ABS可以顺畅挤出,PLA会出现鼓起的气泡,甚至被碳化。碳化会堵住喷嘴,非常危险。

③工程塑料

工程塑料是指被用作的工业零件或者外壳材料的工业用塑料。相比其它材料,兼有强度、耐冲击性、抗老化、硬度等性能指标兼顾的平衡优点。因此它也是目前3D 打印中应用最为广泛的材料。常见的工程塑料种类包括工业ABS材料、PC类材料、尼龙类材料等。

工业ABS材料

它是FDM(熔融沉积造型)快速成型工艺常用的热塑性工程塑料,具有强度高、韧性好、耐冲击等优点,正常变形温度超过90℃,可进行机械加工(钻孔、攻螺纹)、喷漆及电镀。

3D打印的ABS行星齿轮和车链模型(图片来源:Stratasys)

PC材料

它是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性:高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲,可以作为最终零部件使用。使用PC材料制作的样件,可以直接 装配使用,应用于交通工具及家电行业。PC材料的颜色比较单一,只有白色,但其强度比ABS材料高出60%左右,具备超强的工程材料属性,广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

3D打印吹塑成型模具(图片来源:Stratasys)

尼龙材料

它是一种白色的粉末,SLS尼龙粉末材料具有质量轻,耐热,磨擦系数低,耐磨损等特点。粉末粒径小,制作模型精度高。烧结制件不需要特殊的后处理,即可以具有较高的抗拉伸强度。在颜色方面的选择没有像PLA和ABS这么广,但可以通过喷漆、浸染等方式进行色彩的选择和上色。材料热变形温度为110℃,主要应用于汽车、家电、电子消费品、艺术设计及工业产品等领域都有着广泛应用。

特点:烧结温度—粉末熔融温度180℃;烧结制件不需要特殊的后处理,即可以具有较高抗拉伸强度。并且尼龙粉末烧结快速成型过程中,需要较高的预热温度,需要保护气氛,设备性能要求高。

PC-ABS材料

它是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。PC-ABS具备了ABS的韧性和PC材料的高强度及耐热性,大多应用于汽车、家电及通信行业。 使用该材料配合FORTUS设备制作的样件强度比传统的FDM系统制作的部件强度高出60%左右,所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、 制造工具及最终零部件等热塑性部件。

PC-ISO材料

它是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料,具有很高的强度,广泛应用于药品及医疗器械行业,用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。同时,因为具备PC的所有性能,也可以用于食品及药品包装行业,做出的样件可以作为概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件使用。

PSU类材料

它是一种琥珀色的材料,热变形温度为189℃,是所有热塑性材料里面强度最高,耐热性最好,抗腐蚀性最优的材 料,通常作为最终零部件使用,广泛用于航空航天、交通工具及医疗行业。PSU类材料能带来直接数字化制造体验,性能非常稳定,通过与RORTUS设备的配合使用,可以达到令人惊叹的效果。

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。

瑞典将尝试用这种技术打印房屋

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。

常见的光敏树脂有somos NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。

somos NEXT材料

白色材质,类PC新材料,韧性非常好,基本可达到selective laser sintering(SLS,选择性激光烧结)制作的尼龙材料性能,而精度和表面质量更佳。somos NEXT材料制作的部件拥有迄今最优的刚性和韧性,同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点,主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

3D打印散热器风扇和耳塞套(图片来源:Stratasys)

somos11122材料

看上去更像是真实透明的塑料,具有优秀的防水和尺寸稳定性,能提供包括ABS和PBT在内的多种类似工程塑料的特性,这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。

somos19120材料

为粉红色材质,是一种铸造专用材料。成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开发模具的风险,大大缩短周期,拥有低留灰烬和高精度等特点。

环氧树脂

是一种便于铸造的激光快速成型树脂,它含灰量极低(800℃时的残留含灰量<0.01%),可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系,而且不含重金属锑,可用于制造极其精密的快速铸造型模。

⑤橡胶类材料

橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征,这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度,使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

(橡胶与木材混合打印的眼镜)

⑥金属材料

3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

转子和叶片组合的一次性制造,资料来源:RSC Engineering GmbH

金属3D打印材料的应用领域相当广泛,例如,石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

采用金属粉末进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趋势,它可以大大加快新产品的开发速度,具有广阔的应用前景。金属粉末的选区烧结方法中,常用的金属粉末有3种:

(1)金属粉末和有机粘结剂的混合体,按一定比例将2种粉末混合均匀后进行激光烧结。

(2)两种金属粉末的混合体,其中一种熔点较低,在激光烧结过程中起粘结剂的作用。

(3)单一的金属粉末,对单元系烧结,特别是高熔点的金属,在较短的时间内需要达到熔融温度,需要很大功率的激光器,直接金属烧结成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、力学性能差。

工具钢金属材料

工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力,以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种,能够承受不确定时间的工艺条件。

不锈钢金属材料

不锈钢与碳钢不同,目前的铬含量不同,10.5%铬含量最低的钢合金,不锈钢不容易生锈腐蚀。

奥氏体不锈钢316L,具有高强度和耐腐蚀性,可在很宽的温度范围下降到低温,可应用于航空航天、石化等多种工程应用,也可以用于食品加工和医疗等领域。

马氏体不锈钢15-5PH,又称马氏体时效(沉淀硬化)不锈钢,具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性,而且可以进一步的硬化,是无铁素体。目前,广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。

马氏体不锈钢17-4PH,在高达315℃下仍具有高强度高韧性,而且耐腐蚀性超强,随着激光加工状态可以带俩极佳的延展性。

合金金属材料

金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。

钛合金

目前应用于市场的纯钛,又称商业纯钛,分为1级和2级粉体,2级强于1级,对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性,因此在医疗行业具有广泛的应用前景。

钛是钛合金产业的关键。目前,应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级,因为其优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用,而且,因为强度高、模量低、耐疲劳性强,应用于生产生物医学植入物。钛合金23级,纯度更高,是神级一样的牙科和医疗钛品级。

铝合金

目前,应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12,是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末,可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件,还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件;硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度,使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件,尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

铜基合金-青铜粉

应用于市场的铜基合金,俗称青铜,具有良好的导热性和导电性,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和冷却通道,适合冷却更有效的工具插入模具,如半导体器件,也可用于微型换热器,具有壁薄、形状复杂的特征。

贵金属材料

3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的似乎就是将3D打印快速原型技术作为一种强大,且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域,常用的有金、纯银、黄铜等。

⑦陶瓷材料

陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热(可达600°C)、可回收、无毒,但其强度不高,可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难,特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长,难以满足产品不断更新的需求。

(3D打印陶瓷威士忌酒杯)

选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂,其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似,被包覆的陶瓷可以是Al2O3,ZrO2和SiC等,粘结剂的种类很多,有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等),也可以使用无机粘结剂。

用途:

(1)将陶瓷粉末及粘合剂按一定的比例混合均匀烧结,经二次烧结处理工艺后获得铸造用陶瓷型壳,用该陶瓷型壳进行浇注即获得制作的金属零件。

(2)也可以直接制造工程陶瓷制件,烧结后再经热等静压处理,零件最后相对密度高达99.9%,在工业方面可用于含油轴承等耐磨、耐热陶瓷零件。

⑧复合型石膏粉末(全彩砂岩)

3D打印领域里使用较为广泛的材料之一。由全彩砂岩制作的对象色彩感较强,3D打印出来的产品表面具有颗粒感,打印的纹路比较明显使物品具有特殊的视觉效果。它的质地较脆容易损坏,并且不适用于打印一些经常置于室外或极度潮湿环境中的对象。

但当一个设计师希望使用多种颜色打印他们的设计时,他们往往选择的是彩色砂岩。因为它可以打印多种颜色,颜色层次和分辨率都很好。砂岩打印出的的模型较为完美并且栩栩如生。因此全彩砂岩被普遍应用于制作模型、人像、建筑模型等室内展示物。

⑨蓝蜡和红蜡

采用多喷嘴立体打印(MJM)技术,表面光滑;蜡模,用于精密铸造,超越以前纯模型制作与展示功能 。 可用于标准熔模材料和铸造工艺的熔模铸造应用,是制作珠宝、服饰、医疗器械、机械部件、雕塑、复制品、收藏品进行石蜡模型失蜡铸造工艺。

如何选择3D打印材料?

怎么选择适合自己的模型,通常会有下面几个方面的考虑:

成本,材料性能(力学性能,机械性能,化学稳固性),后置处理后的成品细节,以及特殊应用环境等因素。

①成本

从最受关注的成本(不包含后置处理和人工费用)上讲。通过对同一结构体积的材质球打印,根据意造网提供的各类耗材价格,我们发现在同等10000mm?体积大小产品的生产造价上:PLA塑料<塑料<树脂<全彩砂岩<尼龙<蓝蜡<金属。

因此,从产品的造价成本上讲,PLA塑料和ABS塑料是最低的,是最能符合低成本的耗材使用需求的。这里需要注意的是,PLA塑料和ABS塑料材料的产品在设计时悬空结构或者斜向上的角度最好大于45度,小于45度就会需要额外的支撑,也就是说,小于45度时会变相的增加造价成本。

②材料性能

下图是意造网提供的部分3D打印耗材的材料性能,图中硬度、透明度、尺寸和精度的等级从1到5级,是从最低级到最高级的划分。

在最小细节上,0.5mm的PLA塑料和ABS塑料,低于蓝蜡的0.1mm,高于银质材料的1.0mm,处在一个中间水平,尚无特别之处。

在最小壁厚上,在普通产品来讲,1.0mm的PLA塑料和ABS塑料最小壁厚,于最低的0.6mm壁厚水平相差无几,属于正常水平范围内,绝对能够满足绝大部分普通产品的塑造需求。同样,虽然最小壁厚能满足大部门普通产品,但仍须注意不能小于1.0mm时,否则会在打印过程中发生变形,造成打印失败。

在最高精度上,受材料自身因素的影响,0.3mm的PLA塑料在最高精度略低于平均水平,而0.1mm的ABS塑料则相对更为高精一些。不过这样的最高精度,已经完全和某些工业级最高精度相媲美,绝对满足创客对创意产品的制作要求。

同时,PLA塑料和ABS塑料对应的FDM工艺相对简单,利用桌面机就可以进行打印制作。而桌面机的使用相对于工业机来讲,或许在精度和批量化生产上稍有差距,但绝对也可以满足正常的产品需求,且造价更低,生产更方便。

③后置处理

对于产品的后置处理,在色彩上,有喷漆(上色)、浸染,以及电镀等多种方式。由于国内浸染技术不成熟且造价成本较高,电镀操作复杂且成本也相对较高,所以为方便起见喷漆(上色)是目前来讲最便捷的。当然,对于PLA塑料和ABS塑料来讲,颜色选项很多,几乎所有的颜色都可以选择,且较为简单易行。

至于外表纹理和支撑处理,对于PLA塑料来讲,PLA材料的3D模型较硬、不耐热,如果打磨会愈磨愈粗糙,目前没有较好的外表纹理和支撑处理办法。而对于ABS塑料讲,虽可以进行打磨,但是使用一定比列的碱溶液,即可使其表面光洁明亮,这种表面处理效果会更好。

④应用方向

除了以上3种因素外,基于制作打印模型的目的,应用方向大致可分为两类:外观验证和结构验证。

外观验证模型:由工程师设计制作用于验证产品外观的手板模型或直接使用且对外观要求高的模型。外观验证模型是可视的、可触摸的,它可以很直观的以实物的形式把设计师的创意反映出来,避免了“画出来好看而做出来不好看” 的弊端。外观验证模型制作在新品开发,产品外形推敲的过程中是必不可少的。

基于外观验证模型的需求,优先建议选用光敏树脂类3D打印(包括类ABS树脂和透明PC材料);

结构验证模型:在产品设计过程中从设计方案到量产,一般需要制作模具。模具制造的费用很高,比较大的模具价值数十万乃至几百万,如果在开模的过程中发现结构不合理或其他问题,其损失可想而知。因此,制作结构验证模型能避免这种损失,降低开模风险。

基于结构验证模型的需求,对精度和表面质量要求不高的,优先建议选择机械性能较好、价格低廉的材料,比方说PLA、ABS等材料。

此外,还有部分特殊要求,例如对导电性有要求,则需要金属材料,或者要逆向制作一个精美的首饰,则建议使用蓝蜡。

最受欢迎的材料主要应用方向

当然,在对材料有了清晰合理的划分,和明确的性能认知之后,作为一个3D打印行业的从业者来讲,我们还需要对材料的应用方向,做出一个大概性的了解。

据小编了解,当下市场上使用频率最高的3D打印材料主要包括: 塑料(ABS、PLA、尼龙、光聚合物等),金属(钢、银、金、钛、铝等)两大类。而这两大类别中,又可以根据市场应用和市场需求两个方向进行再次划分。

(1)市场应用最广的

就目前的市场形态来看,塑料类材料在消费级产品制造中是主流。简单点说就是,在我们日常生活中看到的3D打印产品,其生产材料不外乎是ABS、PLA、尼龙和光聚合物这四种。

(2)市场需求最广的

如果从市场最需求和未来发展最长久的角度来看,市场对金属类材料制作的产品的渴求是十分迫切的。尤其是在在航空航天与国防、汽车、医疗等行业的运用上,具备极大的发展空间。

与传统制造技术相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注,将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

作为国内最大的3D打印云工厂和3D打印云平台,意造网可以提供50多种材料,能够满足各行各业的需求。

0

分享全面的3D打印材料
                   上一个:       下一个: