当前3D打印材料的发展现状

来源:51模材网 

  3D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。


  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


  工程塑料指被用做工业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。


  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


  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。


  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。


  钛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。

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