3D打印材料分析

3D打印是根据设计的3D模型，通过3D打印设备逐层添加材料，制造3D产品的技术。这种逐层叠加成型技术也叫增材制造。3D打印是一种快速成型技术，融合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学、化学等多个领域的前沿技术。第三次工业革命？的核心技术。

3D打印制造技术主要由三个关键要素组成:

一是需要对产品进行三维精确设计，需要利用计算机辅助设计(CAD)工具对产品进行全方位精确定位；

二是需要强大的成型设备；

第三是需要满足产品性能和成型工艺的材料。

由于3D打印制造技术彻底改变了传统制造业的方式和原理，是对传统制造模式的颠覆，3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，也是3D打印突破创新的重点和难点。只有开发更多的新材料，才能拓展3D打印技术的应用领域。目前，3D打印材料主要包括高分子材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料。

3D打印聚合物3D打印无人机

工程塑料

工程塑料是指用作工业零件或外壳材料的工业塑料，具有优良的强度、耐冲击性、耐热性、硬度和耐老化性。工程塑料是应用最广泛的3D打印材料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。

1)ABS

ABS材料因其良好的热熔性和冲击强度，成为熔融沉积3D打印工程塑料的首选。目前ABS主要是预制成丝，粉碎使用，应用范围几乎涵盖了所有的日用品、工程用品和部分机械用品。近年来，ABS不仅在应用领域逐渐扩大，而且性能也在不断提高。通过对ABS进行改性，使其具有很强的附着力和强度，被广泛用作3D打印材料。

2014国际空间站用ABS塑料3D打印机为它打印零件；全球最大的3D打印机材料公司Stratasys研发的最新ABS材料ABS-M30，专为3D打印制造而设计，机械性能比传统ABS材料提高67%，扩大了ABS的应用范围。

2)PA

PA具有较高的强度和一定的柔韧性，可以直接使用3D打印制造设备零件。3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件具有较高的强度和韧性，可代替金属工具用作机械工具。此外，PA由于其粘附性和粉末特性，可以与陶瓷粉末、玻璃粉末和金属粉末混合，通过粘接可以实现陶瓷粉末、玻璃粉末和金属粉末的低温3D打印。作为PA工程塑料的全球专家，Solvi公司基于PA工程塑料进行3D打印样品，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。用工程塑料代替传统金属材料，最终解决了汽车轻量化的问题。

3)个人电脑

PC具有优异的强度，比ABS材料高60%左右，适合超强工程产品的应用。作为PA工程塑料的全球专家，Solvi公司基于PA工程塑料进行3D打印样品，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。德国拜耳公司研发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、大灯灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机机身、机械齿轮等异形零部件的3D打印制造。

4)PPFS

PPSF具有最高的耐热性、韧性和耐化学性，在各种快速成型工程塑料材料中性能最好。通过碳纤维和石墨的复合处理，PPSF表现出极高的强度，可用于3D打印制造高负荷产品，成为替代金属和陶瓷的首选。

5)PEEK

PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性和最接近人骨的杨氏模量等优点。是一种理想的人工骨替代材料，适合在人体内长期植入。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便，不需要激光，后处理简单。仿生人工骨是结合聚醚醚酮材料制成的。

6)EP

EP(Elasto Plastic)，即弹性塑料，是Shapeways公司最新研发的3D打印原料，可以避免用ABS打印的可穿戴物品或可变形产品的脆性。顾名思义，弹塑是一种新型的软性3D打印材料，在塑形中用作ABS？层层烧结？原理，但打印出来的产品弹性相当好，容易恢复变形。这种材料可以用来制作3D打印鞋、手机壳、3D打印衣服等产品。

7)耐久

Stratasys推出了全新的3D打印材料？Endur是一种先进的类聚丙烯材料，可以满足各种领域的应用要求。Endur材料强度高，柔韧性好，耐高温，用其印刷的产品表面质量好，尺寸稳定性好，不易收缩。Endur具有优异的类聚丙烯性能，可用于印刷运动部件、啮合部件以及小盒子和容器。

生物塑料

用于3D打印的生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)等，具有良好的生物降解性。

1)解放军

PLA(Poly Lactic Acid)，即聚乳酸，可能是最开始3D打印的最佳原料，它具有多种半透明的颜色和光泽的纹理。聚乳酸作为一种环境友好型塑料，可以被生物降解成活性堆肥。它来自可再生资源？玉米淀粉和甘蔗，不是不可再生资源吗？新加坡南洋理工大学的化石燃料陈克宏等。利用三维技术成型生物可降解高分子材料，制成高孔隙率聚乳酸组织工程支架。通过组织分析，发现该支架具有生长能力。

3D打印PLA螺栓和螺母，PLA柠檬榨汁机推杆

2)PETG

PETG是一种生物基塑料，由甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇合成。优异的热成型性、韧性和耐候性，热成型周期短，温度低，成品率高。PETG作为一种新型3D打印材料，兼具PLA和ABS的优点。在3D打印中，材料的收缩率很小，疏水性很好，不需要存放在封闭的空间里。由于PETG收缩率低，温度低，打印过程中几乎没有气味，这使得PETG在3D打印领域有着更广阔的发展和应用前景。

3)PCL

PCL是一种可生物降解的聚酯，熔点很低，只有60℃左右。与大多数生物材料一样，人们经常将其用于特殊用途，如药物输送设备、缝合剂等。同时，PCL还具有形状记忆。在3D打印中，由于熔点低，不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医疗领域，可以用来打印心脏支架等等。

热固性塑料

热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、硅树脂、芳香杂环树脂等。具有高强度和耐火的特点，非常适合3D打印的粉末激光烧结成型工艺。来自哈佛大学工程与应用科学学院和Wyss生物工程研究所的材料科学家共同开发了一种环氧基热固性树脂材料，可以3D打印。这种环氧树脂可以3D打印成建筑结构，用于轻型建筑。

光敏树脂

光敏树脂由聚合物单体和预聚物组成。液态光敏树脂因其良好的液体流动性和瞬间光固化特性，成为3D打印耗材打印高精产品的首选。光敏树脂固化速度快，表面干燥性好。成型后，产品具有光滑的外观，可以是透明到半透明的磨砂。特别是光敏树脂气味低，刺激性成分低，非常适合个人桌面3D打印系统。

聚合凝胶

聚合物凝胶具有良好的智能。高分子凝胶材料如海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等。用于3D打印。在一定温度下聚合后，在引发剂和交联剂的作用下，形成特殊的网络聚合物凝胶产品。如果离子强度、温度、电场、化学物质发生变化，凝胶的体积也会相应变化，它就被用作形状记忆材料。凝胶膨胀或收缩改变体积，用作传感材料；凝胶网格的可控性可作为智能药物释放材料。

3D打印金属

目前大部分3D打印耗材都是塑料，金属良好的机械强度和导电性让研究人员对金属物体的打印产生了极大的兴趣。

3D Systems为GE公司打印航空金属部件(左)3D打印奥斯卡？小金人？(右)

黑色金属

1)不锈钢

不锈钢是最便宜的金属打印材料，3D打印的高强度不锈钢产品表面略显粗糙，有麻点。不锈钢具有各种光滑和磨砂表面，常用于珠宝、功能部件和小型雕塑的3D打印。

2)高温合金

高温合金因其强度高、化学性质稳定、成型困难、传统加工技术成本高等优点，成为航空工业中主要的3D打印材料。随着3D打印技术的长期研究和进一步发展，3D打印制造的飞机零件因其加工时间和成本优势而得到广泛应用。

有色金属

1)钛

利用3D打印技术制造的钛合金零件具有非常高的强度和精确的尺寸，可制造的最小尺寸可达1mm，零件的力学性能优于锻造工艺。英国Metalysis公司用钛粉成功打印出叶轮、涡轮增压器等汽车零部件。此外，钛粉耗材在3D打印汽车、航空航天、国防工业等领域也将有广阔的应用前景。

2)镁铝合金

镁铝合金以其轻质、高强度的优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了广泛应用。在3D打印技术中，它毫无例外地成为了各大厂商的首选替代材料。

日本佳能公司利用3D打印技术制造了顶级单反相机的镁铝合金特殊曲面顶盖。

3)镓

镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料，具有类似于水的金属导电性和粘性。与汞(Hg)不同，镓既无毒也不会蒸发。镓可用于柔性可伸缩电子产品，液态金属已应用于柔性可伸缩组件、软存储器件、超可伸缩导线和可变形天线的软光学组件。

3)镓铟合金

北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程副教授迈克尔·迪基(Michael Dickey)通过3D打印技术，使用镓(Ga)和铟(In)的液态金属合金，在室温下创建了一个三维自支撑结构。这个奇迹的诞生，是因为镓铟合金与空气中的氧气发生反应，形成一层氧化膜，可以保持零件的形状。该技术用于连接3D打印中的电子元件。

4)稀有和贵金属

3D打印产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师似乎最受益于3D打印快速原型技术，这是一个强大的创意产业，可以轻松取代其他制造方法。在珠宝3D打印材料领域，常用的有黄金、纯银和黄铜。

陶器瓷器

硅酸铝陶瓷粉可用于3D打印陶瓷产品。3D打印的陶瓷制品防水耐热(高达600？c)可回收，无毒，但强度不高。可作为炊具、餐具(杯、碗、盘、蛋杯、杯垫)、烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等理想的家居装饰材料。

复合材料

高强度碳纤维增强复合材料由美国硅谷Arevo实验室3D打印。与传统的挤出或注射成型方法相比，在3D打印中，通过精确控制取向和优化特定的力学、电学和热学性能，可以严格设置碳纤维的综合性能。因为3D打印复合材料零件一次只能制造一层，所以每层都可以实现任何所需的纤维取向。用增强聚合物材料印刷的复杂形状零件具有优异的耐高温性和耐化学性。

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