巧婦不再難為無米之炊 3D列印材料大觀(全文)_3D印表機_辦公列印3D...

1物體主要成型方式

    【中關村在線辦公列印頻道原創】常言道：「巧婦難為無米之炊。」對於3D列印這樣一種高科技也是同樣道理，因為3D列印技術的關鍵並不在於其技術有多高深，而在於其所用的材料。一定程度上，列印材料是列印技術不可或缺的物質基礎，決定了最終的成品屬性。

巧婦不再難為無米之炊 3D列印材料大觀

    在了解3D列印材料之前，我們需要知道什麼是3D列印以及3D列印的主要成型技術。3D列印學名為「增材製造」，跟「減材製造」正好相反，它並不是一項暫新的技術，其實它已經在工業製造領域默默奉獻了近30年，是快速成型技術的一種，被譽為「第三次工業革命」的核心技術。總的來說，物體成型方式主要有四種：減材成型、受壓成型、增材成型、生長成型。

3D列印被譽為「第三次工業革命」的核心技術

    減材成型指的是運用分離技術把多餘的材料有序地從基體上剔除出去，如傳統的車、銑、磨、鑽、刨、電火花和雷射切割都屬於減材成型。

傳統成型工藝如雷射切割，容易造成材料的浪費

    受壓成型指的是主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，傳統的鍛壓、鑄造、粉末冶金等技術都屬於受壓成型。受壓成型多用於毛坯階段的模型製作，也有直接用於手工件成型的例子，如精密鑄造、精密鍛造等淨成型都屬於受壓成型。

    增材成型也叫堆積成型，主要利用機械、物理、化學等方法，通過有序地添加材料堆積成型的方法。

    生產成型指的是利用材料的活性進行成型的方法，自然界中的生物個體發育都屬於生長成型，隨著活性材料、仿生學、生物化學和生命科學的發展，生長成型技術得到了長足的發展。

23D列印技術和材料

    3D列印技術從狹義上來說主要是指增材製造技術，從成型工藝上來看，3D列印技術突破了傳統成型方法限制，通過快速自動成型系統與計算機數據模型相結合，無需任何附加的工藝模具製造和機械加工就能製造出各種形狀複雜的原型，使得產品的設計生產周期大大縮短，生產成本大幅下降。

當今主流的3D列印技術及匹配材料
類型	成型技術	適用材料	代表公司
擠壓成型	熔融沉積成型（FDM）	熱塑性塑料、金屬、可食用材料	Stratasys（美國）
線狀成型	電子束自由成型技術（EBF）	幾乎任何合金	Sciaky（德國）
粒狀物料成型	直接金屬雷射燒結（DMLS）	幾乎任何合金	EOS（德國）
	電子束融化成型技術（EBM）	鈦合金	ARCAM（瑞典）
	選擇性雷射熔融技術（SLM）	鈦合金、不鏽鋼、鋁	SLM Solutions（德國）
	選擇性熱燒結成型技術（SHS）	熱塑性粉末	Blueprinter（丹麥）
	選擇性雷射燒結工藝（SLS）	熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末	3D Systems（美國）
粉末層噴頭成型	三維印刷工藝（3DP）	石膏、熱塑性塑料、金屬與陶瓷粉末	Zcorporation（美國）
光聚合成型	立體光固化成型工藝（SLA）	光硬化樹脂	3D Systems（美國）
	聚合物噴射技術（PI）	光硬化樹脂	Objet（以色列）
	數字光處理技術（DLP）	液態樹脂	EnvisionTec（德國）

    3D列印憑藉其獨特的製造技術，讓我們得以生產前所未有的各類物品，並為企業減少成本、縮短工時以及去除複雜工藝，3D列印技術真正的優勢在於其列印材料，可以很好地模仿塑料與金屬材料的機械或者熱能屬性，然而這也是當前制約3D列印發展的一大技術原因。這裡簡要介紹當前3D列印材料的發展現狀以及存在的問題。

    由於3D列印製造技術完全改變了傳統製造工業的方式和原理，是對傳統製造模式的一種顛覆，因此，3D列印材料成為限制3D列印發展的主要瓶頸，同時也是3D列印突破創新的關鍵點和難點所在，只有進行更多新材料的開發才能拓展3D列印技術的應用領域。目前，3D列印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和複合材料等。

3D列印材料分類	3D列印聚合物	工程塑料	ABS材料
			PA材料
			PC材料
			PPFS材料
			PEEK材料
			EP材料
			Endur材料
		生物塑料	PLA材料
			PETG材料
			PCL材料
		熱固性塑料
		光敏樹脂
		高分子凝膠
	3D列印金屬材料	黑色金屬	不鏽鋼材料
			高溫合金材料
		有色金屬	鈦材料
			鋁鎂合金材料
			鎵材料
			稀貴金屬材料
	3D列印陶瓷材料
	3D列印複合材料

    3D列印材料是3D列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列印能否有更廣泛的應用。目前，3D列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列印領域得到了應用。下面我們將從聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和複合材料分別進行分析。

33D列印工程塑料1

    第一部分：聚合物材料

3D列印無人機

3D列印無人機所用聚合物材料

    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，具有強度高、耐衝擊性、耐熱性、硬度高以及抗老化性等優點，正常變形溫度可以超過90℃，可進行機械加工、噴漆以及電鍍。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D列印材料，常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚醯胺（PA）、 聚碳酸酯（PC）、聚苯碸(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等。

    （1）ABS材料

    ABS材料具有良好的熱熔性和衝擊強度，是熔融沉積成型3D列印工藝的首選工程塑料，目前主要是將ABS預製成絲、粉末化後使用，應用範圍幾乎涵蓋所有日用品、工程用品和部分機械用品。ABS材料的顏色種類很多，如象牙白、白色、黑色、深灰色、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。

ABS材料

使用ABS耗材列印的齒輪

    近年來，ABS不但在應用領域逐步擴大範圍，性能也在不斷提升，藉助ABS強大的粘結性、強度，通過對ABS的改性，使其作為3D列印材料在適用範圍上進一步擴大。2014年，國際空間站用ABS塑料3D印表機為其列印零部件，世界上最大的3D印表機材料公司Stratasys公司研發的最新ABS材料ABS-M30，專為3D列印製造設計，機械性能比傳統的ABS材料提高了67%，從而擴大了ABS的應用範圍。

    （2）PC材料

高透明PC材料陽光板

    PC（聚碳酸酯）材料算得上是一種真正的熱塑性材料，具有高強度、耐高溫、抗衝擊、抗彎曲等特點，強度比ABS材料還要高60%，可以作為最終零部件使用甚至超強工程製品的應用。德國拜耳公司開發的PC2605可用於防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、太空人頭盔面罩、智慧型手機的機身、機械齒輪等異型構件的3D列印製造。

醫療級PC料製作成的注射器

    PC工程塑料的三大應用領域是玻璃裝配業、汽車工業和電子、電器工業，其次還有工業機械零件、光碟、包裝、計算機等辦公室設備、醫療及保健、薄膜、休閒和防護器材等。PC可用作門窗玻璃，PC層壓板廣泛用於銀行、使館、拘留所和公共場所的防護窗，用於飛機艙罩，照明設備、工業安全檔板和防彈玻璃。

43D列印工程塑料2

    （3）PA材料

銀禧科技PA粉末及其複合材料

    PA材料雖然強度高，但也具備一定的柔韌性，因此，可以直接利用3D列印製造設備零件。利用3D列印製造的PA碳纖維複合塑料樹脂零件，具有很高的韌度，可用於機械工具代替金屬工具。全球著名PA工程塑料的專家索爾維公司，基於PA的工程塑料進行3D列印樣件，用於發動機周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。用PA材料代替傳統的金屬材料，最終解決了汽車輕量化問題。

PA材料的釣魚線

    PA材料廣泛應用於製造燃料濾網、燃料過濾器、罐、捕集器、儲油槽、發動機汽缸蓋罩、散熱器水缸、平衡旋轉軸齒輪。也可用在汽車的電器配件、接線柱以及用於製作一次性打火機體、鹼性乾電池襯墊，摩託車駕駛員的頭盔，辦公機器外殼等。另外，它還可用作驅動、控制部件等。

    （4）PPSF材料

    PPSF材料是所有熱塑性材料裡面強度最高，耐熱性最好，抗腐蝕性最高的材料。廣泛用於航空航天，交通工具及醫療行業。通常作為最終零部件使用。

PPSF材料製作的眼鏡

    PPSF具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學品性，在各種快速成型工程塑料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的複合處理，PPSF材料能夠表現出極高的強度，可用於3D列印製造該承受負荷的製品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。

    （5）PEEK材料

    PEEK（聚醚醚酮）是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料，可製造加工成各種機械零部件，如汽車齒輪、油篩、換檔啟動盤；飛機發動機零部件、自動洗衣機轉輪、醫療器械零部件等。

PEEK材料適合製造人體植入物

    PEEK具有優異的耐磨性、生物相容性、化學穩定性以及楊氏模量最接近人骨等優點，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體。基於熔融沉積成型原理的3D列印技術安全方便、無需使用雷射器、後處理簡單，通過與PEEK材料結合製造仿生人工骨。

    （6）EP材料

使用EP材料列印的鞋子

    EP（Elasto Plastic）即彈性塑料，是Shapeways公司最新研製的一種3D列印原材料，它能避免用ABS列印的穿戴物品或者可變形類產品存在的脆弱性問題。EP材料非常柔軟，在進行塑形時，跟ABS一樣採用「逐層燒結」原理，但列印的產品彈性卻相當好，變形後也容易復原。這種材料可用於製作像3D列印鞋、手機殼和3D列印衣物等產品。

    （7）Ender材料

Ender材料

    Ender材料是Stratasys公司推出一款全新的3D列印材料，它是一種先進的防聚丙烯材料，可滿足各種不同領域的應用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，用其列印的產品表面質量佳，且尺寸穩定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用於列印運動部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器。

53D列印生物塑料

    2.生物塑料

    3D列印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環己烷二甲醇酯（PETG）、聚-羥基丁酸酯（PHB）、 聚-羥基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯 （PBS）、聚己內酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性。

    （1）PLA材料

    PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸，可能是3D列印起初使用得最好的原材料，具有多種半透明色和光澤感。作為一種環境友好型塑料，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它是從玉米澱粉和甘蔗中提取的，而不是化石燃料。新加坡南洋理工大學的Tan.K.H等在應用PLA製造組織工程支架方面的研究中，採用可降解高分子材料製造了高孔隙度的PLA組織工程支架，通過對該支架進行組織分析，發現其具有生長能力。

PLA材料

PLA材料列印的物體

    PLA（聚乳酸）是一種新型的生物基及可生物降解材料，其具有良好的生物可降解性，使用後能被自然界中微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不汙染環境，這對保護環境非常有利，是公認的環境友好材料。

    （2）PETG材料

    PETG材料是一種透明塑料，是一種非晶型共聚酯，具有較好的粘性、透明度、顏色、耐化學藥劑、和抗應力白化能力。可很快熱成型或擠出吹塑成型。粘度比丙烯酸(亞克力)好。其製品高度透明，抗衝擊性能優異，特別適宜成型厚壁透明製品。可以廣泛應用於板片材、高性能收縮膜、瓶用及異型材等市場。

PETG材料

PETG材料的化妝品瓶和瓶蓋，具有玻璃一樣的透明度

    PETG是採用甘蔗乙烯生產的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。這種材料具有較好的熱成型、堅韌性和耐候性，熱成型周期短、溫度低、成品率高。PETG作為一種新型的3D列印材料，兼具PLA和ABS的優點。在3D列印時，材料的收縮率非常小，並且具有良好的疏水性，無需在密閉空間裡貯存。由於PETG的收縮率低、溫度低，在列印過程中幾乎沒有氣味，使得PETG在3D列印領域產品具有更為廣闊的開發應用前景。

    （3）PCL材料

    PCL（聚己內酯）具有良好的生物降解性、生物相容性和無毒性，而被廣泛用作醫用生物降解材料及藥物控制釋放體系，可運用於組織工程已經作為藥物緩釋系統。

利用PCL材料列印的玩具

    PCL材料是一種可降解聚酯，熔點較低，只有60℃左右，與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設備、縫合劑等，同時，PCL還具有形狀記憶性。在3D列印中，由於它熔點低，所以並不需要很高的列印溫度，從而達到節能的目的。在醫學領域，可用來列印心臟支架等。

63D列印熱固性塑料

    3.熱固性塑料

    熱固性塑料以熱固性樹脂為主要成分，配合以各種必要的添加劑通過交聯固化過程成形成製品的塑料。熱固性塑料第一次加熱時可以軟化流動，加熱到一定溫度，產生化學反應一交聯反應而固化變硬，這種變化是不可逆的，此後，再次加熱時，已不能再變軟流動了。正是藉助這種特性進行成型加工，利用第一次加熱時的塑化流動，在壓力下充滿型腔，進而固化成為確定形狀和尺寸的製品。

3D列印的熱固性樹脂材料，可用於建築

熱固性塑料鍵盤

    熱固性塑料比如環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、芳雜環樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用3D列印的粉末雷射燒結成型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家與Wyss生物工程研究所聯手開發出了一種可3D列印的環氧基熱固性樹脂材料，這種環氧樹脂可3D列印成建築結構件用在輕質建築中。

    4.光敏樹脂

    光固化樹脂又稱光敏樹脂，是一種受光線照射後,能在較短的時間內迅速發生物理和化學變化，進而交聯固化的低聚物。光固化複合樹脂是目前口腔科常用的充填、修復材料，由於它的色澤美觀，具有一定的的抗壓強度，因此在臨床應用中起著重要的作用，用於前牙各類缺損及窩洞修復能取得滿意的效果。

光敏樹脂材料的牙齒

光敏樹脂材料列印出來的物體呈現出半透明磨砂狀態

    光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組由於具有良好的液體流動性和瞬間光固化特徵，使得液態光敏樹脂成為3D列印耗材用於高精度製品列印的首選材料。光敏樹脂固化速度快、表乾性能優異，成型後產品外觀平滑，可呈現透明或半透明磨砂狀態。光敏樹脂具有氣味低、刺激性成分低等特徵，非常適合個人桌面3D列印系統。

    5.高分子凝膠

海藻也可作為3D列印材料

網狀高分子凝膠製品：水凝膠降溫貼

    高分子凝膠具有良好的智能性，海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白腖、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用於3D列印，在一定的溫度及引發劑、交聯劑的作用下進行聚合後，形成特殊的網狀高分子凝膠製品。如受離子強度、溫度、電場和化學物質變化時，凝膠的體積也會相應地變化，用於形狀記憶材料。凝膠溶脹或收縮發生體積轉變，用於傳感材料；凝膠網孔的可控性，可用於智能藥物釋放材料。

73D列印之金屬材料

    第二部分：金屬材料

    目前，大多數3D列印耗材是塑料，而金屬良好的力學強度和導電性使得研究人員對金屬物品的列印極為感興趣。

    1.黑色金屬

    （1）不鏽鋼

    不鏽鋼（Stainless Steel）是不鏽耐酸鋼的簡稱，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不鏽性的鋼種稱為不鏽鋼；而將耐化學腐蝕介質（酸、鹼、鹽等化學浸蝕）腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。由於兩者在化學成分上的差異而使他們的耐蝕性不同，普通不鏽鋼一般不耐化學介質腐蝕，而耐酸鋼則一般均具有不鏽性。

不鏽鋼材料列印的啟瓶器

    不鏽鋼是最廉價的金屬列印材料，經3D列印出的高強度不鏽鋼製品表面略顯粗糙，且存在麻點。不鏽鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構件和小型雕刻品等的3D列印。

    （2）高溫合金

    高溫合金具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。

高溫合金材料主要應用在航空工業領域

    高溫合金因其強度高、化學性質穩定、不易成型加工和傳統加工工藝成本高等因素已成為航空工業應用的主要3D列印材料。隨著3D列印技術的長期研究和進一步發展，3D列印製造的飛機零件因其加工的工時和成本優勢已得到了廣泛的應用。

    2.有色金屬

    （1）鈦

    鈦金屬外觀似鋼，具有銀灰光譯，是一種過渡金屬，在過去一段時間內人們一直認為它是一種稀有金屬。鈦並不是稀有金屬，鈦在地殼中約佔總重量的0.42%，是 銅、鎳、鉛、鋅的總量的16倍。在金屬世界裡排行第七，含鈦的礦物多達70多種。鈦的強度大，密度小，硬度大，熔點高，抗腐蝕性很強；高純度鈦具有良好的可塑性，但當有雜質存在時變得脆而硬。

NASA利用鈦金屬粉末製作的渦輪泵

    採用3D列印技術製造的鈦合金零部件，強度非常高，尺寸精確，能製作的最小尺寸可達1mm，而且其零部件機械性能優於鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功列印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D列印汽車、航空航天和國防工業上都將有很廣闊的應用前景。

    （2）鎂鋁合金

鎂鋁合金列印的零部件質量較輕

    鎂鋁合金因其質輕、強度高的優越性能，在製造業的輕量化需求中得到了大量應用，在3D列印技術中，它也毫不例外地成為各大製造商所中意的備選材料。

    （3）鎵

鎵主要用作液態金屬合金的3D列印材料

    鎵(Ga)主要用作液態金屬合金的3D列印材料，它具有金屬導電性，其粘度類似於水，不同於汞(Hg)，鎵既不含毒性，也不會蒸發。鎵可用於柔性和伸縮性的電子產品，液態金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上已得到了應用。

    （4）稀貴金屬

3D列印的黃銅戒指

    3D列印的產品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設計師受益最大的就是將3D列印快速原型技術作為一種強大且可以方便替代其他製造方式的創意產業。在飾品3D列印材料領域，常用的有金、純銀、黃銅等。

8陶瓷和複合材料

    第三部分：陶瓷和複合材料

    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。

3D列印的陶瓷材料

    矽酸鋁陶瓷粉末能夠用於3D列印陶瓷產品，3D列印的該陶瓷製品不透水、耐熱溫度可達600攝氏度，可回收、五毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。

    複合材料

複合材料製作的3D列印仿生肌電假手

    美國矽谷Arevo實驗室3D列印出了高強度碳纖維增強複合材料。相比於傳統的擠出或注塑定型方法，3D列印時通過精確控制碳纖維的取向，優化特定機械、電和熱性能，能夠嚴格設定其綜合性能。由於3D列印的複合材料零件一次只能製造一層，每一層可以實現任何所需的纖維取向。結合增強聚合物材料列印的複雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學性能。

9政策支持是關鍵

    第四部分：政策支持是關鍵

    縱觀全世界，材料產業經過多年的發展，已經逐漸滲透到國民經濟、國防建設和社會生活的方方面面，支撐著一大批高新技術產業的發展，對國民經濟的發展具有舉足輕重的作用，成為各個國家搶佔未來經濟發展制高點的重要領域。一些主要發達國家都非常重視新材料產業的投入和發展，美國政府在1991至1995年的《國家關鍵技術報告》中就將材料科學與技術列為重要的研究領域；德國自1994年就啟動了跨世紀國家級材料科學研究計劃，實施周期為1994—2003年；日本也一直強調材料及時的發展，把開發材料科學列為國家高新技術的第二大目標，認為材料技術是推動21世紀創新和社會繁榮的主導力量。

    而備受矚目的3D列印技術，材料成為其能否「有所作為」的重要指標。我國的基礎材料產業多年來雖然受到國家的不少關注，但是一直處於被世界發達國家壓迫的窘境，而當前的3D列印材料產業更是如此。

    事實上，在很多業內人士看來，國產3D列印設備對應的耗材目前極為短缺，主要原因在於：便宜的耗材賺不到錢，廠家不願意生產，而較貴的耗材現有技術跟不上，由於缺少政策扶持和補貼，廠家又不願意投入資金和人力成本去研發，雖說這跟很多企業自身有很大關係，但缺少國家體制和政策支持也是一大原因。

    綜上所述，3D列印這項技術的發展和應用，還得依靠基礎材料產業的發展，這也是國內3D列印產業的一大「病根」。近幾年，3D列印技術得到快速發展，應用領域也更為廣泛，但在材料供給上並不樂觀，成為制約3D列印進一步發展的技術瓶頸。

    目前，國內在3D列印原材料方面，缺少相關標準，加之生產3D列印材料的企業很少，特別是金屬材料方面，仍然依賴進口，導致價格居高不下，導致3D列印產品成本較高，影響其產業化進程，因此，國家層面應該建立相關標準，同時加大對3D列印材料研發以及產業化給予資金支持。各大企業也要正確看待國內材料產業發展的不足，夯實基礎，營造一個新興的高科技環境，這樣才能讓我國的3D列印產業真正健康發展！