史上全激光3D打印材料解析（完整版）

3D打印領(lǐng)域，3D打印材料始終扮演著舉足輕重的角色，因此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。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1～100μｍ不等，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。
   對(duì)于3D打印材料來講，當(dāng)下市場(chǎng)上的材料已不下200余種，且隨著技術(shù)的研發(fā)和進(jìn)步，材料種類的更新度也會(huì)越來越快。那么，怎樣才能更好更快更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)材料呢？
目前激光3D打印常見的材料有哪些呢？
1 尼龍材料
  它是一種白色的粉末，SLS尼龍粉末材料具有質(zhì)量輕，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損等特點(diǎn)。粉末粒徑小，制作模型精度高。燒結(jié)制件不需要特殊的后處理，即可以具有較高的抗拉伸強(qiáng)度。在顏色方面的選擇沒有像PLA和ABS這么廣，但可以通過噴漆、浸染等方式進(jìn)行色彩的選擇和上色。材料熱變形溫度為110℃，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品、藝術(shù)設(shè)計(jì)及工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。
特點(diǎn)：燒結(jié)溫度—粉末熔融溫度180℃；燒結(jié)制件不需要特殊的后處理，即可以具有較高抗拉伸強(qiáng)度。并且尼龍粉末燒結(jié)快速成型過程中，需要較高的預(yù)熱溫度，需要保護(hù)氣氛，設(shè)備性能要求高。
PC-ABS材料
  它是一種應(yīng)用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)。 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、 制造工具及終零部件等熱塑性部件。
PC-ISO材料
  它是一種通過醫(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、制造工具及終零部件使用。
PSU類材料
  它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)度高，耐熱性好，抗腐蝕性優(yōu)的材 料，通常作為終零部件使用，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RORTUS設(shè)備的配合使用，可以達(dá)到令人驚嘆的效果。
熱固性塑料
  熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、芳雜環(huán)樹脂等具有強(qiáng)度高、耐火性特點(diǎn)，非常適合利用3D打印的粉末激光燒結(jié)成型工藝。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的材料科學(xué)家與Wyss生物工程研究所聯(lián)手開發(fā)出了一種可3D打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種環(huán)氧樹脂可3D打印成建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中。
瑞典將嘗試用這種技術(shù)打印房屋
2 光敏樹脂
光敏樹脂是由聚合物單體與預(yù)聚體組成，由于具有良好的液體流動(dòng)性和瞬間光固化特性，使得液態(tài)光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表干性能優(yōu)異，成型后產(chǎn)品外觀平滑，可呈現(xiàn)透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個(gè)人桌面3D打印系統(tǒng)。
常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。
somos NEXT材料
  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。
somos11122材料
  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。
somos19120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
  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<0.01%)，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。
3金屬材料

3D打印的定子轉(zhuǎn)子模型

  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。
轉(zhuǎn)子和葉片組合的一次性制造。
  金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，例如，石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。
  采用金屬粉末進(jìn)行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趨勢(shì)，它可以大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬粉末的選區(qū)燒結(jié)方法中，常用的金屬粉末有3種：
（1）金屬粉末和有機(jī)粘結(jié)劑的混合體，按一定比例將2種粉末混合均勻后進(jìn)行激光燒結(jié)。
（2）兩種金屬粉末的混合體，其中一種熔點(diǎn)較低，在激光燒結(jié)過程中起粘結(jié)劑的作用。
（3）單一的金屬粉末，對(duì)單元系燒結(jié)，特別是高熔點(diǎn)的金屬，在較短的時(shí)間內(nèi)需要達(dá)到熔融溫度，需要很大功率的激光器，直接金屬燒結(jié)成形存在的大問題是因組織結(jié)構(gòu)多孔導(dǎo)致制件密度低、力學(xué)性能差。
A工具鋼金屬材料
工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時(shí)間的工藝條件。
B不銹鋼金屬材料
  不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。
  奧氏體不銹鋼316L，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。
  馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用  于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。
  馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶倆極佳的延展性。
C 合金金屬材料
  金屬3D打印材料應(yīng)用為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。
鈦合金
  目前應(yīng)用于市場(chǎng)的純鈦，又稱商業(yè)純鈦，分為1級(jí)和2級(jí)粉體，2級(jí)強(qiáng)于1級(jí)，對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因?yàn)榧冣?級(jí)具有良好的生物相容性，因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。
  鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級(jí)和鈦合金23級(jí)，因?yàn)槠鋬?yōu)異的強(qiáng)度和韌性，結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用，而且，因?yàn)閺?qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng)，應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級(jí)，純度更高，是神級(jí)一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級(jí)。
D鋁合金
  目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中。
E銅基合金-青銅粉
  應(yīng)用于市場(chǎng)的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導(dǎo)體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。
F貴金屬材料

  3D打印的產(chǎn)品在時(shí)尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設(shè)計(jì)師受益大的似乎就是將3D打印快速原型技術(shù)作為一種強(qiáng)大，且可方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。在飾品3D打印材料領(lǐng)域，常用的有金、純銀、黃銅等。
4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。3D打印的陶瓷制品不透水、耐熱(可達(dá)600°C)、可回收、無毒，但其強(qiáng)度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。
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
選擇性激光燒結(jié)陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，其覆膜粉末制備工藝與覆膜金屬粉末類似，被包覆的陶瓷可以是Al2O3，ZrO2和SiC等，粘結(jié)劑的種類很多，有金屬粘結(jié)劑和塑料粘結(jié)劑(包括樹脂、聚乙烯蠟、有機(jī)玻璃等)，也可以使用無機(jī)粘結(jié)劑。
用途：
（1）將陶瓷粉末及粘合劑按一定的比例混合均勻燒結(jié)，經(jīng)二次燒結(jié)處理工藝后獲得鑄造用陶瓷型殼，用該陶瓷型殼進(jìn)行澆注即獲得制作的金屬零件。
（2）也可以直接制造工程陶瓷制件，燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理，零件后相對(duì)密度高達(dá)99.9%，在工業(yè)方面可用于含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。
如何選擇3D打印材料？
怎么選擇適合自己的模型，通常會(huì)有下面幾個(gè)方面的考慮：
成本，材料性能（力學(xué)性能，機(jī)械性能，化學(xué)穩(wěn)固性），后置處理后的成品細(xì)節(jié)，以及特殊應(yīng)用環(huán)境等因素。
①成本
  從受關(guān)注的成本（不包含后置處理和人工費(fèi)用）上講。通過對(duì)同一結(jié)構(gòu)體積的材質(zhì)球打印，根據(jù)意造網(wǎng)提供的各類耗材價(jià)格，我們發(fā)現(xiàn)在同等10000mm3體積大小產(chǎn)品的生產(chǎn)造價(jià)上：PLA塑料<塑料<樹脂<全彩砂巖<尼龍<藍(lán)蠟<金屬。
  因此，從產(chǎn)品的造價(jià)成本上講，PLA塑料和ABS塑料是低的，是能符合低成本的耗材使用需求的。這里需要注意的是，PLA塑料和ABS塑料材料的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)懸空結(jié)構(gòu)或者斜向上的角度好大于45度，小于45度就會(huì)需要額外的支撐，也就是說，小于45度時(shí)會(huì)變相的增加造價(jià)成本。
②材料性能
下圖是意造網(wǎng)提供的部分3D打印耗材的材料性能，圖中硬度、透明度、尺寸和精度的等級(jí)從1到5級(jí)，是從低級(jí)到高級(jí)的劃分。
  在小細(xì)節(jié)上，0.5mm的PLA塑料和ABS塑料，低于藍(lán)蠟的0.1mm，高于銀質(zhì)材料的1.0mm，處在一個(gè)中間水平，尚無特別之處。
在小壁厚上，在普通產(chǎn)品來講，1.0mm的PLA塑料和ABS塑料小壁厚，于低的0.6mm壁厚水平相差無幾，屬于正常水平范圍內(nèi)，絕對(duì)能夠滿足絕大部分普通產(chǎn)品的塑造需求。同樣，雖然小壁厚能滿足大部門普通產(chǎn)品，但仍須注意不能小于1.0mm時(shí)，否則會(huì)在打印過程中發(fā)生變形，造成打印失敗。
  在高精度上，受材料自身因素的影響，0.3mm的PLA塑料在高精度略低于平均水平，而0.1mm的ABS塑料則相對(duì)更為高精一些。不過這樣的高精度，已經(jīng)完全和某些工業(yè)級(jí)高精度相媲美，絕對(duì)滿足創(chuàng)客對(duì)創(chuàng)意產(chǎn)品的制作要求。
  同時(shí)，PLA塑料和ABS塑料對(duì)應(yīng)的FDM工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，利用桌面機(jī)就可以進(jìn)行打印制作。而桌面機(jī)的使用相對(duì)于工業(yè)機(jī)來講，或許在精度和批量化生產(chǎn)上稍有差距，但絕對(duì)也可以滿足正常的產(chǎn)品需求，且造價(jià)更低，生產(chǎn)更方便。
③后置處理
  對(duì)于產(chǎn)品的后置處理，在色彩上，有噴漆（上色）、浸染，以及電鍍等多種方式。由于國(guó)內(nèi)浸染技術(shù)不成熟且造價(jià)成本較高，電鍍操作復(fù)雜且成本也相對(duì)較高，所以為方便起見噴漆（上色）是目前來講便捷的。當(dāng)然，對(duì)于PLA塑料和ABS塑料來講，顏色選項(xiàng)很多，幾乎所有的顏色都可以選擇，且較為簡(jiǎn)單易行。
  至于外表紋理和支撐處理，對(duì)于PLA塑料來講，PLA材料的3D模型較硬、不耐熱，如果打磨會(huì)愈磨愈粗糙，目前沒有較好的外表紋理和支撐處理辦法。而對(duì)于ABS塑料講，雖可以進(jìn)行打磨，但是使用一定比列的堿溶液，即可使其表面光潔明亮，這種表面處理效果會(huì)更好。
④應(yīng)用方向
  除了以上3種因素外，基于制作打印模型的目的，應(yīng)用方向大致可分為兩類：外觀驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。
  外觀驗(yàn)證模型：由工程師設(shè)計(jì)制作用于驗(yàn)證產(chǎn)品外觀的手板模型或直接使用且對(duì)外觀要求高的模型。外觀驗(yàn)證模型是可視的、可觸摸的，它可以很直觀的以實(shí)物的形式把設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意反映出來，避免了“畫出來好看而做出來不好看” 的弊端。外觀驗(yàn)證模型制作在新品開發(fā)，產(chǎn)品外形推敲的過程中是必不可少的。
  基于外觀驗(yàn)證模型的需求，優(yōu)先建議選用光敏樹脂類3D打印（包括類ABS樹脂和透明PC材料）；
  結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中從設(shè)計(jì)方案到量產(chǎn)，一般需要制作模具。模具制造的費(fèi)用很高，比較大的模具價(jià)值數(shù)十萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)，如果在開模的過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理或其他問題，其損失可想而知。因此，制作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型能避免這種損失，降低開模風(fēng)險(xiǎn)。
基于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型的需求，對(duì)精度和表面質(zhì)量要求不高的，優(yōu)先建議選擇機(jī)械性能較好、價(jià)格低廉的材料，比方說PLA、ABS等材料。
此外，還有部分特殊要求，例如對(duì)導(dǎo)電性有要求，則需要金屬材料，或者要逆向制作一個(gè)精美的首飾，則建議使用藍(lán)蠟。
  受歡迎的材料主要應(yīng)用方向
當(dāng)然，在對(duì)材料有了清晰合理的劃分，和明確的性能認(rèn)知之后，作為一個(gè)3D打印行業(yè)的從業(yè)者來講，我們還需要對(duì)材料的應(yīng)用方向，做出一個(gè)大概性的了解。
據(jù)小編了解，當(dāng)下市場(chǎng)上使用頻率高的3D打印材料主要包括： 塑料（ABS、PLA、尼龍、光聚合物等），金屬（鋼、銀、金、鈦、鋁等）兩大類。而這兩大類別中，又可以根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用和市場(chǎng)需求兩個(gè)方向進(jìn)行再次劃分。
（1）市場(chǎng)應(yīng)用廣的
就目前的市場(chǎng)形態(tài)來看，塑料類材料在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品制造中是主流。簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是，在我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降?D打印產(chǎn)品，其生產(chǎn)材料不外乎是ABS、PLA、尼龍和光聚合物這四種。
（2）市場(chǎng)需求廣的
如果從市場(chǎng)需求和未來發(fā)展長(zhǎng)久的角度來看，市場(chǎng)對(duì)金屬類材料制作的產(chǎn)品的渴求是十分迫切的。尤其是在在航空航天與國(guó)防、汽車、醫(yī)療等行業(yè)的運(yùn)用上，具備極大的發(fā)展空間。
  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。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。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)。