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模具百科

3D打印材料的发展现状

发布时间:2019.07.26 来源:福模网 浏览次数:153


3D打印技术又称“快速成形技术”或“增材制造技术”,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个:打印材料和设备。比起设备的研发,材料的研发难度更大。3D打印技术并不复杂,难在材料。普通打印机的耗材就是墨水和纸张,但3D打印机的耗材却主要是胶水和粉末,而且必须经过特殊处理,对材料的固化反应速度等也要求很高。根据化学组成,3D打印材料分为金属材料、陶瓷材料、复合材料和聚合物。
1.3D打印材料
1.1金属材料
目前大多数3D打印耗材是塑料,而金属具有更好的力学强和导电性,在3D打印中具有举足轻重的地位。但金属材料的3D打印制造技术难度大,主要是因为金属的熔点比较高,sahod 料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。其中钛合金尤其受到重视,因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高,在3D打印汽车、航空航天和国防工业都将有很广阔的应用前景[1]。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金,具有优异的抗腐蚀性能和机械性能,用其制作的零部件强度高、耐高温。不锈钢因其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢是最廉价的金属打印材料,打印的模型具有较高的强度[2]。镁铝合金因其质轻、强度高等,在制造业的强量化需求中得到了大量应用。
1.2陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热(高达600℃)、可回收、无毒,可作为理想的炊具餐具和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家具装饰材料[3]。但其强度不高,硬而脆的特点使其加工成形困难,尤其是复杂陶瓷件需通过磨具来成形,而模具加工成本高且开发周期长,难以满足产品的需求。已有报道,西英格兰大学研究人员开发了一种改进型的3D打印陶瓷技术,根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰,消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质的问题[4]。比利时在2012年应用陶瓷材料搭建了一台快速制造的3D打印机,为制作精细和新形式的传统陶艺技术提供了可能。
1.3复合材料
2014年美国硅谷Arevo实验室推出制造高强度碳复合材料最终产品的3D打印技术,打印出了碳纤维增强尼龙基体的复合材料,尼龙基体是比PEEK更低端的聚合物树脂。比起传统方法,3D打印更精确地控制碳纤维的取向,优化特定机械、电和热性能,而不是像传统的挤出或注塑方法来定型。且由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一次,每层可以实现任何所需的纤维取向。复合材料的增强相不仅可用碳纤维,还可以用玻璃纤维。该技术主要针对航空航天、国防和医疗应用的零件产品,有望开发出更轻、更强、更持久的组件[5-6]。
1.4聚合物
聚合物中应用较多的两类塑料是ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene,即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯) 和PLA(Poly Lactic Acid即聚乳酸)。ABS具有高强度、良好的柔韧性、机械加工性及抗高温性能,是3D打印最常用的热塑性塑料[7]。ABS材料颜色种类多, PC材料颜色较单一,只有白色,但其强度比ABS材料高出60%左右。PC-ABS材料是综合性能优异的工程塑料,具备了ABS的韧性和PC的高强度及耐热性[8]。PLA是一种环境友好型塑料,可生物降解为活性堆肥。PLA抵抗温度变化能力弱,当温度超过50℃时就发生变形,从而制约了其在3D打印领域的发展。Polysulfone(PSU)类材料是所有热塑性材料中强度最高,抗腐蚀性和耐热性最好的材料,通常以最终零部件使用,广泛用于交通工具、航空航天和医疗行业。此外,其它新型的聚合物材料如尼龙类材料、弹性塑料等也被引进了3D打印领域。
2.展望
现有的3D打印材料,从价格上来看,便宜的几百块1kg,贵则约4万元1kg,打印成本昂贵。随着新材料技术的发展,未来还会出现更多的性能优异且价格低廉的打印材料。随着3D技术的不断成熟,打印出的产品的成本会不断降低。3D打印在医疗行业、骨骼打印、科学研究、文物保护、建筑设计、制造业等的应用将会得到更好的发展。3D打印技术也逐步进入人们的生活,3D打印机将越来越平民化。福模网fumowang.com