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行业资讯

2017年3D打印材料一览

2017-11-09

增材制造技术作为全球制造业的新制造方式,从六七年前开始受到大众的广泛关注,而且还起了一个很接地气、形象的名字3D打印”。不过新的制造技术能否普及,还要看材料能否满足日用需要,比如对塑料的大量应用需求就使得注塑成型工艺很快成熟和普及了。六七年时间过去,我们来看看到2017年3D打印材料的种类和变化。


七十二般变化2017年3D打印材料大观


●3D打印基石工程塑料

正如传统加工业,在3D打印领域最基础、普及最广的材料也是塑料。从2007年第一台开源的桌面3D打印机RepRap开始,大众接触到最多的、桌面型3D打印设备使用最多的材料就是塑料,确切地说是ABS和PLA。


了解过桌面3D打印机的朋友对这种耗材不会感到陌生


ABS和PLA塑料都具备很好的热塑性,因此广泛用在桌面级和商用级的FDM3D打印机上,经过加热熔融后挤出冷却,来构造三维模型。其实在传统的注塑成型加工方式中ABS材料应用也非常广泛,其强度高、韧性好、易加工的特点广泛用在各种仪器和设备外壳上。PLA材料在强度、韧性上都逊于ABS,不过因为更加环保、可降解、加热无异味的原因,越来越多地用在桌面型3D打印机上,而且在展示模型结构、构造方面也没有问题。


ABS材料常见于仪器、设备外壳


随着时间的推移,越来越多的热塑性塑料被试验用在3D打印设备上,包括PVC、PC、PA尼龙、TPU、PBT等等。而商业实用性的需要则扩展了3D打印塑料材料的性能和种类,在单一塑料材质中加入添加剂、改性剂来实现某一项或几项物理性质的强化,比如增加强度、耐磨性、刚性等等,使得商用的3D打印制品应用范围不仅仅局限于模型、原型展示,而是大大拓展,甚至可以直接用作商品的最终零件。


PolyMaker品牌多款改性3D打印塑料


最前沿的应用例子之一,是StratasysULTEM热塑性塑料用来3D打印地球卫星的天线。ULTEM塑料经过美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)的多项测试和认证,能够耐受极端温度、紫外线并且在真空环境中耐疲劳、抗衰老,被选作理想的卫星零部件材料并且3D打印制成。其实这也是一种改性的塑料制品。


ULTEM材料用于地球卫星


通过NASAJPL实验室测试和认证


另外一种非常普遍的塑料材料也不得不提——尼龙(PA)。在商用型3D打印设备上尼龙更常见,而且也是一种热塑性塑料,对FDM3D打印机和SLS(激光烧结)3D打印机都有很好的支持。


用于SLS3D打印的尼龙粉末


尼龙3D打印制品具备良好的力学性能、耐热性、耐磨损性、耐腐蚀性,并且尼龙相对润滑。传统热塑成型工艺尼龙材料用在卡扣、塑料铆钉、扎带上,而3D打印的塑形能力再扩展应用,用在模型展示、鞋靴中底、工艺品、备用零件上,甚至柔性的尼龙还用来3D打印服装面料,在时尚圈也有一席之地。


极致盛放尼龙3D打印礼服


目前来看塑料材质在3D打印行业中是最常见、使用最多的一类。

●决定应用上限金属和合金

工程塑料材料意味着3D打印技术的普及程度,而金属和合金材料的应用则决定了3D打印技术的上限,能够用在特殊的场景或环境中。近两年,适用3D打印的金属种类大大丰富,而且最近的科研成果有望加入种类更丰富的合金材料。

2015年到2017年,资本更多地进入到商业级和工业级应用的金属3D打印行业,随之而出现了不锈钢、铝、金、银、铂金以及黄铜、青铜、钛合金等多种金属材料。除了在定制服务商处为普通消$L̪ԌE$L̪Ԍ之外,金属材料3D打印更尖端的应用在于航空航天、国防军事、船舶制造、卫星通信方面。


定制服务商Shapeways支持贵金属3D打印

英国雷尼绍曾3D打印完整的钛合金自行车架来展示钛合金件的轻量化、高强度,优化的中空结构使得3D打印车架重量仅1.4千克。相比碳纤维车架,钛合金车架有更高的刚度和硬度,在山地车赛中经常出现摔车场景,而钛合金车架可以保障完好无损。


雷尼绍3D打印自行车注意车架整体为钛合金材质


更进一步,中国国产大飞机C919就采用了3D打印的大型钛合金构件。而2017年9月份,空中客车公司宣布在量产的A350XWB客机上使用钛合金连接件支架,这是首次将金属3D打印零件应用在量产民航客机上。


利用3D打印技术制造的国产大飞机C919钛合金中央翼缘条


同样是在9月,《Nature》杂志发表文章,美国科学家在铝合金材料粉末加入氢化锆纳米粒子并激光熔融3D打印,得到强度堪比锻造材料的铝合金3D打印件,避免了过去合金3D打印因应力而常出现的裂纹。而这项研究的意义在于添加剂同样适用于多种合金墨粉3D打印,有可能大大拓展3D打印支持的合金材料——传统加工的合金材料种类有五千多种,这是一个丰富的资源池。


3D打印技术有望加入种类更多的合金


目前金属3D打印技术和材料都是资本和行业关注重点,3D打印技术的应用天花板恐怕就靠金属3D打印来决定了。

●专行专用光敏树脂

光敏树脂由于美国Kickstarter众筹明星Form13D打印机的缘故,一度与大众距离非常近,当时桌面型3D打印唯精度论,使用光敏树脂耗材的Form1广受关注。


3D打印用光敏树脂


确切地说光敏树脂是包含光引发剂的混合物,在光照射下由粘稠的液体转为固体。光敏树脂特别用在SLA/DLP3D打印技术上,也用在某些喷射+光照固化技术中,比如Stratasys的PolyJet3D打印技术。


应用于SLA/DLP3D打印的光敏树脂


因此我们不能说光敏树脂是某种化学物质,它在不同的配比之后3D打印能够得到类似ABS、尼龙等工程塑料材质的样品而物理性能更佳,甚至可以作为试制注塑模具。另外树脂的性能决定了它的应用方向,石蜡树脂通常作为珠宝首饰的阴模,用于首饰铸造;牙科树脂则用于复原牙床结构,制作义齿。


石蜡树脂打印成型的戒面蜡模



牙科树脂复原牙床形状


美国研究人员更研制出陶瓷性质光敏树脂,3D打印成品高温烧制后具备显著陶瓷特性,能够耐1700摄氏度高温、绝缘并且隔热,有望用在火箭发动机上得到应用。
耐高温的3D打印陶瓷

还有很多专用的3D打印材料,包括用于金属制模的砂石材料,用于全彩人像3D打印的石膏材料,用于建造房屋的混凝土等等。新材料不断,每一种材料都意味着一个新的应用领域。


全彩3D打印人像石膏材质



3D打印混凝土材料盖房子


当然从新材料开发到成熟,再到试用、商用化以及最终大规模量产,需要一个很长的过程,涉及普通消费者的接纳程度、健康和安全因素,3D打印新材料和技术的应用推广还需要几年时间。我们乐意见到新技术、新材料给生活带来改变和升级,橡胶、碳纤维、锂电池无一不是如此。