與傳統制造技術相比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,也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品。因此,在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發快速單件及小批量零件制造,復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等、也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此,3D打印產業受到了國內外越來越廣泛的關注、將成為下一個具有廣闊發展前景的朝陽產業。
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材料是3D打印的物質基礎,也是當前制約3D打印發展的瓶頸,這里簡要介紹當前3D打印材料的發展現狀及存在的問題。
3D打印材料3D打印材料是3D打印技術發展的重要物質基礎,在某種程度上,材料的發展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。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、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別、其形態一般有粉末狀,絲狀、層片狀、液體狀等。通常,根據打印設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1-100um不等,為了使粉末保持良好的流動性,一般要求粉末要具有高球。
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1、工程塑料
工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料,常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是FusedDepositionModelingFDM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度高、韌性好、耐沖擊等優點、正常變形溫度超過90°C 可進行機械加工、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、藍色、玫瑰紅色等。在汽車、家電、電子消費品領域有廣泛的應用。
PC材料是真正的熱塑性材料具備工程塑料的所有特性、高強度、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,應用于交通工具及家電行業,PC材料的顏色比較單一,只有白色,但其強度比ABS材料高出60%左右,具備超強的工程材料屬性,廣泛應用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫療器械等領域。
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尼龍玻纖是一種白色的粉末,與普通塑料相比、其拉伸強度、彎曲強度有所增強、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、沖擊強度降低。材料熱變形溫度為110℃。主要應用于汽車、家電、電子消費品領域。
PC/ABS材料是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC/ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性,大多應用于汽車家電及通信行業。使用該材料配合FORTUS設備制作的樣件強度比傳統的FDM系統制作的部件強度高出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。
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2、光敏樹脂
光敏樹脂即UltravioletRaysUV樹脂由聚合物單體與預聚體組成,其中加有光紫外光引發劑或稱為光敏劑.在一定波長的紫外光250-300nm照射下能立刻引起聚合反應完成固化.光敏樹脂一般為液態 可用于制作高強度 耐高溫 防水材料.目前,研究光敏材料3D打印技術的主要有美3DSystem公司和以色列Object公司。常見的光敏樹脂有Somosnext材料,樹脂Somos11122材料、Somos19120材料和環氧樹脂.
3、橡膠類材料
橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征 這些材料所具備的硬度 斷裂伸長率 抗撕裂強度和拉伸強度 使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電子產品 醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等.
4、金屬材料
近年來,3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造。其中,金屬材料的3D打印技術發展尤其迅速.在國防領域 歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展 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用的重點,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.
鈦是一種重要的結構金屬 鈦合金。因具有強度高 耐蝕性好 耐熱性高等特點而被廣泛用于制作飛機發動機壓氣機部件 以及火箭 導彈和飛機的各種結構件。
合金它的抗腐蝕性能和機械性能都非常優異 用其制作的零部件強度高、耐高溫。采用3D打印技術制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件、強度非常高、尺寸精確、能制作的最小尺寸可達1mm,而且其零部件機械性能優于鍛造工藝。
不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕而得到廣泛應用。不銹鋼粉末19是金屬3D打印經常使用的一類性價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度而且適合打印尺寸較大的物品。
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5、陶瓷材料
陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性,在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難,特別是復雜陶瓷件需通過模具來成形.模具加工成本高 開發周期長難以滿足產品不斷更新的需求。
3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物,由于粘結劑粉末的熔點較低激光燒結時只是將粘結劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結在一起。在激光燒結之后 需要將陶瓷制品放入到溫控爐中,在較高的溫度下進行后處理,陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多 燒結比較容易 但在后置處理過程中零件收縮比較大,會影響零件的尺寸精度.粘結劑份量少則不易燒結成形.顆粒的表面形貌及原始尺寸對陶瓷材料的燒結性能非常重要、陶瓷顆粒越小、表面越接近球形陶瓷層的燒結質量36,陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大、在快速凝固過程中會產生較大的熱應力 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 國內外正處于研究階段,還沒有實現商品化。
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、堅固且色彩清晰的材料.基于在粉末介質上逐層打印的成型原理。3D打印成品在處理完畢后,表面可能出現細微的顆粒效果。外觀很像巖石,在曲面表面可能出現細微的年輪狀紋理。因此,多應用于動漫玩偶等領域,3D打印技術與醫學 組織工程相結合可制造出藥物,人工器官等用于治療疾病。 加拿大目前正在研發骨骼打印機,利用類似噴墨打印機的技術,將人造骨粉轉變成精密的骨骼組織,打印機會在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑 使薄膜變得更堅硬。