细说3D打印材料

               
发布时间:2019.11.27 14:51:30 星期三
               
摘要:

3D打印,又称作增材制造,是快速成型技术的一种,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。材料是3D打印的物质基础, […]

3D打印,又称作增材制造,是快速成型技术的一种,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。材料是3D打印的物质基础,也是当前制约3D打印发展的瓶颈。

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。

如今,3D打印好象已经无所不能,可以打印房子,汽车,衣服,蛋糕,家具,甚至人体骨格、器官等,而这些都是由3D打印材料的多样化来实现的。

 

常见的几种3D打印材料。

 

工程塑料

 

工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,常见的有acrylonitrile butadiene styrene(ABS)类材料、polycarbonate(PC)类材料、尼龙类材料等。

3D打印的汽车塑料部件

ABS材料是fused deposition modeling(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。

ABS材料的颜色种类很多,如象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色等,在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用。

PC材料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。

尼龙玻纤是一种白色的粉末,与普通塑料相比,其拉伸强度、弯曲强度有所增强,热变形温度以及材料的模量有所提高,材料的收缩率减小,但表面变粗糙,冲击强度降低。材料热变形温度为110℃,主要应用于汽车、家电、电子消费品领域。

PC-ABS材料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。

polycarbonate-iso(PC-ISO)材料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。

POLYSULFONE(PSU)类材料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。

 

光敏树脂

 

光敏树脂即ultraviolet rays(UV)树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(2500~300nm)照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态,可用于制作高强度、耐高温、防水材料。

目前,研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3Dsystem公司和以色列object公司。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材料为白色材质,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。

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。

 

橡胶类材料

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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。

米其林发布的3D打印轮胎

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。

 

金属材料

 

3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。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。

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。

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于制作飞机发动机压气机部件,以及火箭、导弹和飞机的各种结构件。

钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金,它的抗腐蚀性能和机械性能都非常优异,用其制作的零部件强度高、耐高温。

采用3D打印技术制造的钛合金和钴铬合金零部件,强度非常高,尺寸精确,能制作的最小尺寸可达1mm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。

不锈钢粉末是金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料。3D打印的不锈钢模型具有较高的强度,而且适合打印尺寸较大的物品。

 

 

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。

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打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。由于粘结剂粉末的熔点较低,激光烧结时只是将粘结剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结在一起。在激光烧结之后,需要将陶瓷制品放入到温控炉中,在较高的温度下进行后处理。

陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多,烧结比较容易,但在后置处理过程中零件收缩比较大,会影响零件的尺寸精度。粘结剂份量少,则不易烧结成形。颗粒的表面形貌及原始尺寸对陶瓷材料的烧结性能非常重要,陶瓷颗粒越小,表面越接近球形,陶瓷层的烧结质量越好。

陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大,在快速凝固过程中会产生较大的热应力,从而形成较多微裂纹。目前,陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟,国内外正处于研究阶段,还没有实现商品化。

 

其他3D打印材料

 

除了上面介绍的3D打印材料外,目前用到的还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料。

彩色石膏材料是一种全彩色的3D打印材料,是基于石膏的、易碎、坚固且色彩清晰的材料。基于在粉末介质上逐层打印的成型原理,3D打印成品在处理完毕后,表面可能出现细微的颗粒效果,外观很像岩石,在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理,因此,多应用于动漫玩偶等领域。

3D打印技术与医学、组织工程相结合,可制造出药物、人工器官等用于治疗疾病。加拿大目前正在研发“骨骼打印机”,利用类似喷墨打印机的技术,将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。打印机会在骨粉制作的薄膜上喷洒一种酸性药剂,使薄膜变得更坚硬。

3D打印的下颚骨

还有尚处于概念阶段的用人体细胞制作的生物墨水,以及同样特别的生物纸。打印的时候,生物墨水在计算机的控制下喷到生物纸上,最终形成各种器官。

食品材料方面,目前,砂糖3D打印机candyfab4000可通过喷射加热过的砂糖,直接做出具有各种形状,美观又美味的甜品。

理论上3D打印可以制作任何物品,只是取决于材料及成形的技术。相信随着科学技术的不断发展,未来自己在家打印个家具,设计打印个外套什么的,都成为普通的事,塑哥也很期待这一天的到来。

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