又双叒叕科普啦！超全面3D打印材料大解析

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2018/1/24

3Ｄ打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。前两天小编推送的关于3D打印技术的图文受到了大家的广泛关注和好评，【点击可查看《科普！一图到底看懂3D打印》】今天小编再推送一篇关于3D打印材料的全面解析，希望大家能够喜欢。

世界首家3D打印汽车生产商LocalMotors（左）飞利浦公司3D打印剃须刀（右）

美国3D打印自动步枪，剑桥大学甲骨文3D打印复制品

3D打印完全改变了传统制造工业的方式和原理，是对传统制造模式的一种颠覆，但是3D打印材料成为限制3D打印发展的一大瓶颈，也是3D打印突破创新的关键点和难点所在。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。

3D打印聚合物

3D打印无人机

1、工程塑料

工程塑料是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料，是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等。

1）ABS

ABS材料具有良好的热熔性、冲击强度，成为通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大，而且性能不断提升，借助ABS强大的粘接性、强度通过对ABS的改性，使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。

3D打印的ABS行星齿轮和车链模型（图片来源：Stratasys）

2）PA

PA强度高，同时具有一定的柔韧性，因此可直接利用3D打印制造设备零部件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件强度韧性很高，可用于机械工具代替金属工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉等混合，通过粘接实现陶瓷粉、玻璃粉、金属粉的低温3D打印。

3）PC

PC具有优异的强度，其强度比ABS材料高出60%左右，因此适合于超强工程制品的应用。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。

3D打印吹塑成型模具（图片来源：Stratasys）

4）PPFS

PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性，在各种快速成型工程塑料材料之中性能最佳，可用于3D打印制造高承受负荷的制品，成为替代金属、陶瓷的首选材料。

5）PEEK

PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。

6）EP

EP（Elasto Plastic）即弹性塑料，是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料，它能够避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。

3D打印的EP鞋和EP机壳

7）Endur

Endur是一种先进的仿聚丙烯材料，可满足各种不同领域的应用需求。具有高强度、柔韧度好和耐高温性能，用其打印的产品表面质量佳，且尺寸稳定性好，不易收缩。

3D打印的Endur笔筒

2、生物塑料

3D打印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，具有良好的可生物降解性。

1）PLA

PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸，它源于可再生资源—玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生资源——化石燃料。作为一种环境友好型塑料，聚乳酸可生物降解为活性堆肥。在民用级3D打印领域应用十分广泛。

3D打印的PLA螺栓和螺母、PLA柠檬榨汁机推杆

2）PETG

PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高等优点。由于PETG的收缩率低、温度低，在打印过程中几乎没有气味，使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。

3）PCL

PCL是一种生物可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，可用来打印心脏支架等。

3、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、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。

新加坡将尝试用3D打印技术建造公共住宅

4、光敏树脂

光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。

3D打印散热器风扇和耳塞套

5、高分子凝胶

高分子凝胶具有良好的智能性，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料；凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料；凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料。

3D打印金属

目前大多数3D打印耗材是塑料，而金属良好的力学强度和导电性使得研究人员对金属物品的打印极为感兴趣。

3D Systems为GE公司打印的航空金属构件（左）3D 打印奥斯卡“小金人”（右）

1、黑色金属

1）不锈钢

不锈钢是最廉价的金属打印材料，打印成品表面略显粗糙，且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。

3D打印的不锈钢饰物

2）高温合金

高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素，目前已成为航空工业应用的主要3D打印材料。

3D打印的钛手表和涡轮叶轮

2、有色金属

1）钛

采用3Ｄ打印技术制造的钛合金零部件，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。钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

3D打印的钛手表和涡轮叶轮

2）镁铝合金

镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了大量应用。在3D打印技术中，成为各大制造商所中意的备选材料。

日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机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，它具有金属导电性，其黏度类似于水。液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

3D打印的液态金属镓

4）镓-铟合金

北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构，这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。

3D打印的镓-铟液态合金

5）稀贵金属

3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银、黄铜等。

3D打印的叶形金戒指、菌丝银戒指、黄铜戒指

陶瓷

硅酸铝陶瓷粉末能够用于3D打印陶瓷产品。3D打印的该陶瓷制品不透水、耐热(可达600°C)、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

3D打印的陶瓷牛奶托盘和陶瓷茶杯

复合材料

美国硅谷Arevo实验室3D打印出了高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法，3D打印时通过精确控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层，每一层可以实现任何所需的纤维取向。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。