与传统制造技术相比3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品。因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发快速单件及小批量零件制造,复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等、也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注、将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。
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。
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1-100um不等,为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球。
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ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。ABS材料是FusedDepositionModelingFDM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°C 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。
2、光敏树脂
光敏树脂即UltravioletRaysUV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250-300nm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3DSystem公司和以色列Object公司。常见的光敏树脂有Somosnext材料,树脂Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂.
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。
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19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36,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。
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。