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魔猴网带你了解3D打印材料

魔猴君  知识堂   1226天前

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3D打印技术颠覆了传统的制作方式,并持续给人们带来技术更新的震撼。然而,3D打印技术真的可以全面取代传统技术了吗?其实不然,虽然3D打印技术的发展已相对成熟,当其面临的技术瓶颈与难题也同样存在,尤其是在材料和速度方面,是目前科研人员着重发展的方向。此篇文章,魔猴君将就3D打印的材料进行全面解读。


3D打印技术的快速发展使其成为近几年国内外快速成形技术研究的重点。目前,美国、欧洲和日本都站在21世纪制造业竞争的战略高度,对快速成形技术投入了大量的研究,使3D打印技术得到了迅速发展。在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的应用,并投入巨资研制增材制造金属零部件,特别是大力推动增材制造技术在钛合金等高价值材料零部件制造上的应用。

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,这里简要介绍当前3D打印材料的发展现状及存在的问题。

一、3D打印材料

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。

1.工程塑料


零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。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。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。


2.光敏树脂


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。

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。

3.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。

4.金属材料


近年来,3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造,其中,金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展,不惜投入巨资加以研究,而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。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。

是一种重要的结构金属,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。

不锈钢以其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。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。

5.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。

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。

6.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。

美国宾夕法尼亚大学打印出来的鲜肉,是先用实验室培养出的细胞介质,生成类似鲜肉的代替物质,以水基溶胶为粘合剂,再配合特殊的糖分子制成。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。

二、问题与展望

近年来,3D打印技术得到了快速的发展,其实际应用领域逐渐增多。但3D打印材料的供给形势却并不乐观,成为制约3D打印产业发展的瓶颈。目前,我国3D打印原材料缺乏相关标准,国内有能力生产3D打印材料的企业很少,特别是金属材料主要依赖进口,价格高。这就造成了3D打印产品成本较高,影响了其产业化的进程。因此,当前的迫切任务之一是建立3D打印材料的相关标准,加大对3D打印材料研发和产业化的技术和资金支持,提高国内3D打印用材料的质量,从而促进我国3D打印产业的发展。可以预计,3D打印技术的进步一定会促进我国制造业的跨越发展,使我国从制造业大国成为制造业强国。



本文提到的3D打印材料简介

适合做早期原型、模型,或者雕塑的造型设计,表面较粗糙
性价比高,成型细腻、表面质量好,适合做工业手板、工艺品等高精度模型
具有优异的机械性能和耐热性,适合做功能件
具有优异的耐热性、机械性能和抗冲击强度,适合做功能件
应用最广泛的工程塑料之一、具有良好的强度、韧性等综合性能,适合做功能件、装配件,设备外壳、托架、夹具等等
适合做结构复杂,不能用CNC加工的零件,如随形冷却模具、免装配结构、蜂窝结构等
具有良好的比强度、耐高温、耐腐蚀和生物相容性,适合做航空航天,复杂构件以及生物医疗等应用。
适合做结构复杂,不能用CNC加工的零件,如随型冷却模具、免装配结构、蜂窝结构等
   
frank

frank1123天前

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