3D打印及材料应用概述

发表时间:2021/3/22   来源:《文化研究》2021年3月上   作者:于英海
[导读] 3D打印材料是3D打印技术的重要物质基础,种类范围广,文章首先简要介绍了目前3D打印行业中各种常见的材料,然后分别介绍了它们的特点。最后,结合研究的最新进展,对3D打印材料及前景进行展望。

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摘要:3D打印材料是3D打印技术的重要物质基础,种类范围广,文章首先简要介绍了目前3D打印行业中各种常见的材料,然后分别介绍了它们的特点。最后,结合研究的最新进展,对3D打印材料及前景进行展望。
关键词:3D打印;材料分析;应用领域
        前言
        3D打印材料是3D打印技术重要的物质基础,种类范围因打印机的种类不同大致分为三大类,下面会简要介绍目前3D打印的各类常见材料,然后分别介绍他们的特点、性能要求以及相关应用领域。
        一、3D打印行业现状
        3D打印技术,也称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,是一项起源于20世纪80年代集机械、计算机、数控和材料于一体的先进制造技术。该技术的基本原理是根据三维实体零件经过切片处理获得的二维截面信息,以点、线和面作为基础单元进行逐层堆积制造,最终获得实体零件或原型。增材制造区别于传统的减材制造(如车削加工)和等材制造(如锻造、注塑)方法,可以实现传统工艺无法或者很难达到的复杂结构零件的生产和制造,并大幅减少加工工时,缩短加工周期,因此得到了生产加工行业广泛关注。
        3D打印技术最早应用于各类原型的快速制造行业,所以在早期也被称为快速成型技术(Rapid Prototyping RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制,大多使用有机高分子材料,其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展,将该技术应用于终端零件制造的需求越来越迫切,因此不仅对3D打印设备提出了更高的要求,也对3D打印材料各项性能的要求日益提高。
        二、材料分析与应用
        (一)FDM打印设备(熔融沉积建模)常用材料
        这一类型里面的材料主要包括:ABS、PLA、HIPS、PETG/PET、TPU
        1、ABS(苯乙烯塑料)
        ABS是热塑性塑料,是一种最常用于3D打印机使用的材料,特点鲜明,结构稳定,强度较高,具有较好的机械性能,价格低廉,容易获取,表面易处理,材料粘合度高,但也有其缺点,3D打印条件要求苛刻,打印机工作时需要保持恒温,并且会产生刺激性气味,对人体有害,由于ABS材料具有较高的熔点,所以该材料容易发生翘曲变形,收缩性较大,总体来说因其价格的优势被广泛应用于工业机械加工生产领域。
        2、PLA(聚乳酸)
        PLA材料是由甘蔗或玉米淀粉等可再生有机资源制成的,是一个可降解的环保材料,被称为“绿色塑料”。其特点较多,打印时熔点较低,安全性高,性能稳定,是为数不多的低温材料,翘曲度低,广受使用者的好评,因其材料环保的特点,广泛应用于医疗、教育、建筑、模具开发设计等领域,也是最常用的家用材料,对使用设备要求也很低,不仅3D打印机可以使用,还可以作为3D打印笔的材料,在教育、教学领域广受业余爱好者的欢迎,操作简单,安全系数大,是一种较为理想的3D打印热塑性材料。是目前FDM3D打印设备中最为常用的一种材料,PLA材料在保存时需保持干燥通风避免阳光直射。
        3、HIPS(高抗冲聚苯乙烯)
        HIPS多用于双喷头FDM打印设备的支撑材料,是因为这种材料可以溶解于一种被称为柠檬烯酸的液体。而且这种材料表面光滑,重量轻,防水和抗冲击,价格低廉,性价比高,并且可以和多种材料相容,作为支撑材料可以与主要材料粘合,起到了稳定主体物的作用,易拆卸,但也有其缺点,加热过程中熔点较高会释放有刺激性气味的气体。这种材料容易堵塞打印机的喷嘴,硬度低,不易保存。
        4、PETG/PET(聚对苯二甲酸)
        PETG也是常用的打印材料之一。这种材料的熔点很高且性能稳定,硬度高,可以与玻璃纤维等其他材料想结合来制造工程树脂。而其硬度高的特点也被经常使用在一些特殊的零件上,这种材料也有很高的抗冲击性,有较好的粘合性,并且具有ABS和PLA的综合性能。是一种较为理想的复合型材料,翘曲度低也非常受使用者的欢迎。



        PET则是在PETG的基础上加入了乙二醇从而得到了一个新的衍生材料,其特点更优于PETG,但是价格偏高所以没能广泛应用,只对有更高需求的机械零件上使用。
        5、TOU(热塑性聚氨酯)
        TOU是一种具有良好弹性的热塑性聚合物,其硬度范围大并且可选择范围广,有一定的耐磨性、耐油性,适用于鞋类产品,个人消费品,特种工业零部件等的制造。通过结合3D打印技术可以制造出传统工艺无法制造的复杂多孔结构,其独特的物理性质,决定了他的使用方法,对一些有弹性形变要求的零件有着特殊的意义。目前国内已有运用TPU材质研发的定制化鞋垫,其各项参数均已达到市场使用的标准。
        (二)光固化3D打印设备常用材料
        这一类材料中最为常用的就是光敏树脂,其主要成分是能发生聚合反应的小分子树脂,其中添加有光引发剂。阻聚剂、流平剂等助剂,能够在特定的光照下,一般指紫外线光的照射下发省聚合反应,实现固化。光敏树脂正常存放状态下为液态,较为稳定,保存的时候要避免阳光直射,因为阳光中含有大量的紫外线会导致材料本身发生质变,也因为这个特点一般都保存在深棕色瓶体内,避光存放。
        光敏树脂材料,特点明显,稳定性高,打印时需在密闭空间,打印成品表面光滑,易打磨,表面处理后可直接进行颜色的涂装,是较为常见的光固化打印材料,打印精度高于FDM设备,早期广泛应用在工业级生产加工中,近些年由于技术的突飞猛进,也随之出现了很多桌面级光固化3D打印机,因为材料本身无毒且环保的特点,近年来被手办爱好者广泛使用。与此同时,也解决了一些小型的零件打印需求,在小型模型制作,样件制作,模具开发等领域有着突出的变现,光敏树脂的应用会随着3D打印技术的发展而得到更广泛的使用。
        (三)金属3D打印设备常用材料
        根据2018年的Wohlers Report报道,金属增材制造产业有了明显发展。文中指出,2017年售出1768套金属3D打印设备,相比2016年的983套增长了将近80%。作为3D打印中非常重要的材料,金属材料在汽车、模具、能源、航空航天、生物医疗等领域中都有广泛的应用前景。
3D打印金属材料主要是以粉末的形式存在的,最常用的材料有钛、不锈钢。
        1、钛
        钛及钛合金以显著的特点而闻名,强度高,重量轻,耐热性好,耐腐蚀,生物相容性高,成为医疗器械、化工设备、航空航天设备等领域的理想材料。但是钛属于金属材料中难以加工的材料之一,打印周期长、温度要求高,钛的普及率低价格非常昂贵,所以大部分用于高新科技产业,在3D打印过程中钛直接被金属激光烧结从而进行再堆积成型。
        2、不锈钢
        不锈钢材料是较为常用的一种合金材料,其特点也被大家所熟知,高强度,耐腐蚀,应用范围广,使用寿命长,是一个综合性价比非常高的金属3D打印材料。
所有金属3D 打印的材料都属需要极高温度的激光烧结,同时原材料多数以粉末形式为主,在打印的同时,需要向打印空间内持续输送惰性气体来保障打印工作的稳定性,所以金属3D打印目前还是以工业化生产为主,具有一定的危险性。
        综上所述,是目前3D打印行业中最为常用的一些材料的特点和应用,随着科技的不断进步和发展,3D打印技术会融入到越来越多的行业中,而材料的不断研发也会推动整个3D打印行业的发展。而3D打印材料的发展方向会向着绿色,环保的方向进行,本着循环利用,可持续发展的原则,3D打印的材料会根据需求越来越合理化。
        结语
        在工业4.0的大背景以及国际社会的大力支持下,预计未来十年,全球3D打印产业将仍处于高速增长的时期。据统计.2020年全球3D打印产业产值达到289亿美元。我国作为全球3D打印产业的大力推动者,将在3D打印专业人才培养、行业标准制定、前沿技术研发等发面投入更多精力。展望未来,大到飞机、汽车,小到玩具、义齿,3D打印的产品类型将越来越多样化,3D打印材料的发展也会随之前行,带给人们全新的体验和感受,在个性化定制方面,3D打印将给人们带来更多惊喜。
参考文献
[1]吕鉴涛.3D打印[ M] ..北京:中国邮电出版社, 2017.
[2]汤慧萍.3D打印金属材料[ M] 化学工业出版社, 2020.
[3]莫健华.液态树脂光固化3D打印技术[ M] 西安电子科技大学出版社, 2016.


 

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