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3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀

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3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)布日期:2018-09-13 作者: 點(diǎn)擊:

3D打印,是根據(jù)所設(shè)計(jì)的3D模型,通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù).這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作增材制造口。7].3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù),是快速成型技術(shù)的一種,被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù).與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造過程中去除大量的材料,也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品,因此,在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源[8].3D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等,也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、裝配檢驗(yàn)和快速反求工程等[9].因此,3D打印產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注,將成為下一個(gè)具有廣闊發(fā)展前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè).目前,3D打印已應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術(shù)創(chuàng)意產(chǎn)品、珠寶制作等領(lǐng)域,可替代這些領(lǐng)域所依賴的傳統(tǒng)精細(xì)加工工藝|.3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度.除此之外,在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域,3D打印技術(shù)的引入也為其開拓了更廣闊的發(fā)展空間。

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使其成為近幾年國(guó)內(nèi)外快速成形技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前,美國(guó)、歐洲和日本都站在21世紀(jì)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度,對(duì)快速成形技術(shù)投入了大量的研究,使3D打印技術(shù)得到了迅速發(fā)展.在國(guó)防領(lǐng)域,歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的應(yīng)用,并投入巨資研制增材制造金屬零部件,特別是大力推動(dòng)增材制造技術(shù)在鈦合金等高價(jià)值材料零部件制造上的應(yīng)用.材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ),也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸,這里簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題。

1.3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),在某種程度上,材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用.目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用.3D打印所用的這些原材料都是專門針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別,其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等n 9。.通常,根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同,所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1~100弘m不等口”2 2I,而為了使粉末保持良好的流動(dòng)性,一般要求粉末要具有高球形度。

3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1工程塑料

工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料,是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料.工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料,常見的有Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS)類材料、Polycarbonate(PC)類材料、尼龍類材料等.ABS材料是Fused Deposition Modeling(FDM,熔融沉積造型)快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料,具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn),正常變形溫度超過90℃,可進(jìn)行機(jī)械加工(鉆孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍.ABS材料的顏色種類很多,如象牙白、白色、黑色、深灰、紅色、藍(lán)色、玫瑰紅色等,在汽車、家電、電子消費(fèi)品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2 3|.PC材料[1叼是真正的熱塑性材料,具備工程塑料的所有特性:高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲,可以作為最終零部件使用.使用PC材料制作的樣件,可以直接裝配使用,應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè).PC材料的顏色比較單一,只有白色,但其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右,具備超強(qiáng)的工程材料屬性,廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[2引.尼龍玻纖是一種白色的粉末,與普通塑料相比,其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度有所增強(qiáng),熱變形溫度以及材料的模量有所提高,材料的收縮率減小,但表面變粗糙,沖擊強(qiáng)度降低.材料熱變形溫度為llO*C,主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品領(lǐng)域。

PC—ABS材料口叼是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料.PC—ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強(qiáng)度及耐熱性,大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)口5|.使用該材料配合FORTUS設(shè)備制作的樣件強(qiáng)度比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)制作的部件強(qiáng)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、制造工具及最終零部件等熱塑性部件.Polycarbonate-ISO(PC-ISO)材料[19]是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料,具有很高的強(qiáng)度,廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè),用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)域.同時(shí),因?yàn)榫邆銹C的所有性能,也可以用于食品及藥品包裝行業(yè),做出的樣件可以作為概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件使用。

Polysulfone(PSU)類材料是一種琥珀色的材料,熱變形溫度為189℃,是所有熱塑性材料里面強(qiáng)度最高,耐熱性最好,抗腐蝕性最優(yōu)的材料,通常作為最終零部件使用,廣泛用于航空航天、交通工具及醫(yī)療行業(yè).PSU類材料能帶來直接數(shù)字化制造體驗(yàn),性能非常穩(wěn)定,通過與FORTUS設(shè)備的配合使用,可以達(dá)到令人驚嘆的效果。

1.2光敏樹脂

光敏樹脂‘263即Ultraviolet Rays(UV)樹脂,由聚合物單體與預(yù)聚體組成,其中加有光(紫外光)引發(fā)劑(或稱為光敏劑).在一定波長(zhǎng)的紫外光(250~300 nm)照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化.光敏樹脂一般為液態(tài),可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料.目前,研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國(guó)3DSystem公司和以色列Object公司乜7-28].常見的光敏樹脂有Somos Next材料、樹脂Somos 11122材料、Somos 19120材料和環(huán)氧樹脂.Somos Next材料[19]為白色材質(zhì),類PC新材料,韌性非常好,基本可達(dá)到Selective Laser Sintering(SLS,選擇性激光燒結(jié))制作的尼龍材料性能,而精度和表面質(zhì)量更佳.Somos Next材料制作的部件擁有迄今最優(yōu)的剛性和韌性,同時(shí)保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域.Somos 11122材料[19]看上去更像是真實(shí)透明的塑料,具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性,能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類似工程塑料的特性,這些特性使它很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域.Somos 19120材料為粉紅色材質(zhì),是一種鑄造專用材料.成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?,避免開發(fā)模具的風(fēng)險(xiǎn),大大縮短周期,擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn).環(huán)氧樹脂[2婦是一種便于鑄造的激光快速成型樹脂,它含灰量極低(800℃時(shí)的殘留含灰量<o.01%),可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系,而且不含重金屬銻,可用于制造極其精密的快速鑄造型模。

 1.3橡膠類材料

橡膠類材料具備多種級(jí)別彈性材料的特征,這些材料所具備的硬度、斷裂伸長(zhǎng)率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度,使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域[3?.3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

1.4金屬材料

近年來,3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造,其中,金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速.在國(guó)防領(lǐng)域,歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展,不惜投入巨資加以研究,而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn).3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低.目前,應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等,此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料.鈦是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,鈦合金[31]因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件,以及火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)件.鈷鉻合金[32≈胡是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金,它的抗腐蝕性能和機(jī)械性能都非常優(yōu)異,用其制作的零部件強(qiáng)度高、耐高溫.采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件,強(qiáng)度非常高,尺寸精確,能制作的最小尺寸可達(dá)1 mm,而且其零部件機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝.不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用.不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價(jià)比較高的金屬粉末材料.3D打印的不銹鋼模型具有較高的強(qiáng)度,而且適合打印尺寸較大的物品。

1.5陶瓷材料

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性,在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用.但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形尤其困難,特別是復(fù)雜陶瓷件需通過模具來成形.模具加工成本高、開發(fā)周期長(zhǎng),難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求.3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物.由于粘結(jié)劑粉末的熔點(diǎn)較低,激光燒結(jié)時(shí)只是將粘結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起.在激光燒結(jié)之后,需要將陶瓷制品放入到溫控爐中,在較高的溫度下進(jìn)行后處理.陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響到陶瓷零部件的性能嘲.粘結(jié)劑份量越多,燒結(jié)比較容易,但在后置處理過程中零件收縮比較大,會(huì)影響零件的尺寸精度.粘結(jié)劑份量少,則不易燒結(jié)成形.顆粒的表面形貌及原始尺寸對(duì)陶瓷材料的燒結(jié)性能非常重要,陶瓷顆粒越小,表面越接近球形,陶瓷層的燒結(jié)質(zhì)量越好.陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大,在快速凝固過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而形成較多微裂紋.目前,陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟,國(guó)內(nèi)外正處于研究階段,還沒有實(shí)現(xiàn)商品化。

1.6其他3D打印材料

除了上面介紹的3D打印材料外,目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等材料.彩色石膏材料是一種全彩色的3D打印材料,是基于石膏的、易碎、堅(jiān)固且色彩清晰的材料.基于在粉末介質(zhì)上逐層打印的成型原理,3D打印成品在處理完畢后,表面可能出現(xiàn)細(xì)微的顆粒效果,外觀很像巖石,在曲面表面可能出現(xiàn)細(xì)微的年輪狀紋理,因此,多應(yīng)用于動(dòng)漫玩偶等領(lǐng)域.3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)、組織工程相結(jié)合,可制造出藥物、人工器官等用于治療疾?。幽么竽壳罢谘邪l(fā)“骨骼打印機(jī)”,利用類似噴墨打印機(jī)的技術(shù),將人造骨粉轉(zhuǎn)變成精密的骨骼組織.打印機(jī)會(huì)在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑,使薄膜變得更堅(jiān)硬.美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)打印出來的鮮肉,是先用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出的細(xì)胞介質(zhì),生成類似鮮肉的代替物質(zhì),以水基溶膠為粘合劑,再配合特殊的糖分子制成.還有尚處于概念階段的用人體細(xì)胞制作的生物墨水,以及同樣特別的生物紙.打印的時(shí)候,生物墨水在計(jì)算機(jī)的控制下噴到生物紙上,最終形成各種器官.食品材料方面,目前,砂糖3D打印機(jī)CandyFab 4000可通過噴射加熱過的砂糖,直接做出具有各種形狀,美觀又美味的甜品。

2.問題與展望

近年來,3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展,其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多.但3D打印材料的供給形勢(shì)卻并不樂觀,成為制約3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前,我國(guó)3D打印原材料缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)有能力生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)很少,特別是金屬材料主要依賴進(jìn)口,價(jià)格高,這就造成了3D打印產(chǎn)品成本較高,影響了其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。因此,當(dāng)前的迫切任務(wù)之一是建立3D打印材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),加大對(duì)3D打印材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和資金支持,提高國(guó)內(nèi)3D打印用材料的質(zhì)量,從而促進(jìn)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展??梢灶A(yù)計(jì),3D打印技術(shù)的進(jìn)步一定會(huì)促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的跨越發(fā)展,使我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。

合金霧化球形粉末

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