由于完全改變了傳統(tǒng)制造工業(yè)的方式和原理,作為關(guān)鍵核心技術(shù)的3D打印儼然已成為各國制造業(yè)先進(jìn)與否的技術(shù)衡量標(biāo)準(zhǔn)。知名3D打印顧問公司W(wǎng)ohlers Associates近日發(fā)布的《Wohlers Report 2018》顯示:2017年增材制造行業(yè)整體增長21%,市場(chǎng)價(jià)值超過12.5億美元。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示,截至2020年,3D打印市場(chǎng)的價(jià)值將高達(dá)210億美元。
3D打印制造技術(shù)主要由三大要素組成:精準(zhǔn)的三維設(shè)計(jì);強(qiáng)大的成型設(shè)備;滿足制品性能和成型工藝的材料。
目前,3D打印材料約有200余種,通常對(duì)于耐熱性、靈活性、穩(wěn)定性以及敏感性有著極高的要求,均是專門針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)。
可見,在3D打印風(fēng)暴席卷全球的今天,作為其中關(guān)鍵部分的3D打印材料無疑正幫助攪動(dòng)這場(chǎng)風(fēng)暴。作為3D打印的“墨水”,3D打印材料開發(fā)難度大、成本高,目前仍是構(gòu)建3D打印生態(tài)圈的掣肘因素。
俗話說“巧婦難為無米之炊”,3D打印材料之于3D打印的重要性不言而喻!今天,就讓我們好好“爆料”一下這些3D打印材料。
工程塑料
作為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料,工程塑料占商用3D打印材料的90%以上,應(yīng)用于FDM設(shè)備,是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。主要包括熱塑性材料和熱固性材料。目前常見的工程塑料主要有以下幾類:
ABS:當(dāng)前最熱門的FDM 熱塑性塑料之一,通常呈絲狀;具有良好的熱熔性與沖擊強(qiáng)度,是通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。優(yōu)點(diǎn)在于打印出的部件機(jī)械強(qiáng)度好且穩(wěn)定性高。同時(shí),還可與可溶性支撐材料一起使用??梢赃M(jìn)行多種顏色選擇,甚至可以自定義顏色,比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技術(shù)的輔助下就能提供象牙色、白色、黑色等九種顏色的選擇。
PC:白色工程塑料,可與FDM技術(shù)相結(jié)合制造出耐用的模型、工具或最終產(chǎn)品零件。與ABS塑料相比,PC材料具有更好的強(qiáng)度、耐高溫性、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn),因此可以作為最終零部件使用于超強(qiáng)工程制品的應(yīng)用。使用PC材料制作的樣件可直接裝配使用,廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
PA:機(jī)械強(qiáng)度高,且具有一定柔韌性,耐熱,耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的強(qiáng)度特性和抗疲勞性,并可抗中度腐蝕性化學(xué)品,適于重復(fù)閉合、卡扣式和抗振動(dòng)部件,而Stratasys的FDM Nylon 6同時(shí)具有優(yōu)于其他熱塑性塑料的強(qiáng)度和韌性,可經(jīng)受嚴(yán)格的功能測(cè)試,是汽車、航空航天、消費(fèi)品和工業(yè)制造行業(yè)中的產(chǎn)品制造商和開發(fā)工程師的理想選擇。
光敏樹脂
因具有較快的固化速度,光敏樹脂表干性能優(yōu)異,成型后產(chǎn)品外觀平滑,可呈現(xiàn)透明至半透明磨砂狀。因具有良好的液體流動(dòng)性和瞬間光固化特性,使得液態(tài)光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。目前主要有以下三類:
齊聚物:含有不飽和鍵的低分子聚合物,種類多,以各類丙烯酸樹脂最為常見。齊聚物是光固化材料中最為基礎(chǔ)的材料,決定了光敏樹脂的黏度、硬度、斷裂延伸率等基本物理化學(xué)性能。
反應(yīng)性稀釋劑:是含有雙鍵的小分子溶劑。反應(yīng)性稀釋劑調(diào)節(jié)體系的黏度,降低齊聚物的黏度,避免噴頭因黏度過高而堵塞。反應(yīng)性稀釋劑還參與到光固化反應(yīng)之中,影響到聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、聚合程度以及固化物的物理性質(zhì)等。
光引發(fā)劑:最為關(guān)鍵的組分,決定了光固化材料的質(zhì)量與光固化反應(yīng)的速度??筛鶕?jù)引發(fā)輻射的能量不同而分為紫外線引發(fā)劑和可見光引發(fā)劑。由于紫外光引發(fā)劑具有存儲(chǔ)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在3D 打印市場(chǎng)上所用的光引發(fā)劑都是紫外光引發(fā)劑。
金屬材料
3D打印金屬材料以金屬粉末、金屬箔以及金屬絲的形式存在。金屬材料現(xiàn)階段市場(chǎng)份額較小,但擴(kuò)張速度最快。
金屬材料可以用于選擇性激光燒結(jié)(SLS)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔煉(EMB)等工業(yè)級(jí)別的3D打印機(jī)。若把金屬材料加入到某些工程塑料材料(如ABS)中去,則可制成適用于FDM 機(jī)型的具有一定金屬屬性的線材。
在3D打印金屬材料的過程中,需要考慮金屬的固液相變、表面擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)等因素,而金屬粉末的形態(tài)直接影響3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量。如今常見的金屬材料包括鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金和鋁合金等材料。金、銀等貴金屬粉末材料偶爾也會(huì)被用于打印首飾或藝術(shù)品等。
陶瓷材料
硅酸鋁陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷產(chǎn)品,一般呈粉末狀,通常用于選擇性激光燒結(jié)(SLS)打印機(jī)。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。
陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比,會(huì)直接影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多,燒結(jié)比較容易,但在后處理過程中零件收縮比較大,會(huì)影響零件的尺寸精度。粘結(jié)劑份量少,則不易燒結(jié)成形。
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),具有應(yīng)用于航空航天和汽車等領(lǐng)域的潛能。同時(shí),陶瓷材料可以選擇的顏色很多,可打印出形態(tài)逼真、色彩豐富的產(chǎn)品,是工藝品、建筑和衛(wèi)浴產(chǎn)品的理想選擇。
生物用高分子材料
生物3D打印材料主要包括支架材料與直接細(xì)胞打印材料。支架類3D打印材料需滿足:良好的生物相容性,對(duì)細(xì)胞及機(jī)體無毒害;良好的生物降解特性,可完全被機(jī)體降解吸收或排出體外;良好的機(jī)械特性,具備一定的力學(xué)強(qiáng)度及可塑性,結(jié)構(gòu)可長時(shí)間保持穩(wěn)定,具有較高的孔隙率;良好的表面相容性,利于細(xì)胞在材料表面黏附與生長。主要分為以下幾類:
PLA:3D打印起初使用得最好的原材料,具有多種半透明色和光澤質(zhì)感。它源于可再生資源—玉米淀粉和甘蔗,無毒無味,是能夠降解的環(huán)保型塑料。
PETG:具有出眾的熱成型性、堅(jiān)韌性與耐候性,熱成型周期短、溫度低、成品率高,兼具PLA和ABS的優(yōu)點(diǎn)。
PCL:是一種生物可降解聚酯,熔點(diǎn)較低,常常用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備、縫合劑等,同時(shí)還具有形狀記憶性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,可用來打印心臟支架等。
其他3D打印材料
碳纖維材料是一種新興的3D打印材料,強(qiáng)度是鋼的五倍而重量卻只有其1/3,且還具有耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。
導(dǎo)電打印材料是熱塑性材料的一種,可用于制造具有電子或是機(jī)械功能的3D打印產(chǎn)品,如電路板、手電筒以及可穿戴的照明設(shè)備等。