2017年3D打印材料一覽

2017-11-09

增材制造技術作為全球制造業的新制造方式，從六七年前開始受到大眾的廣泛關注，而且還起了一個很接地氣、形象的名字“3D打印”。不過新的制造技術能否普及，還要看材料能否滿足日用需要，比如對塑料的大量應用需求就使得注塑成型工藝很快成熟和普及了。六七年時間過去，我們來看看到2017年3D打印材料的種類和變化。

●3D打印基石工程塑料

正如傳統加工業，在3D打印領域最基礎、普及最廣的材料也是塑料。從2007年第一臺開源的桌面3D打印機RepRap開始，大眾接觸到最多的、桌面型3D打印設備使用最多的材料就是塑料，確切地說是ABS和PLA。

ABS和PLA塑料都具備很好的熱塑性，因此廣泛用在桌面級和商用級的FDM3D打印機上，經過加熱熔融后擠出冷卻，來構造三維模型。其實在傳統的注塑成型加工方式中ABS材料應用也非常廣泛，其強度高、韌性好、易加工的特點廣泛用在各種儀器和設備外殼上。PLA材料在強度、韌性上都遜于ABS，不過因為更加環保、可降解、加熱無異味的原因，越來越多地用在桌面型3D打印機上，而且在展示模型結構、構造方面也沒有問題。

隨著時間的推移，越來越多的熱塑性塑料被試驗用在3D打印設備上，包括PVC、PC、PA尼龍、TPU、PBT等等。而商業實用性的需要則擴展了3D打印塑料材料的性能和種類，在單一塑料材質中加入添加劑、改性劑來實現某一項或幾項物理性質的強化，比如增加強度、耐磨性、剛性等等，使得商用的3D打印制品應用范圍不僅僅局限于模型、原型展示，而是大大拓展，甚至可以直接用作商品的最終零件。

最前沿的應用例子之一，是StratasysULTEM熱塑性塑料用來3D打印地球衛星的天線。ULTEM塑料經過美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的多項測試和認證，能夠耐受極端溫度、紫外線并且在真空環境中耐疲勞、抗衰老，被選作理想的衛星零部件材料并且3D打印制成。其實這也是一種改性的塑料制品。

ULTEM材料用于地球衛星

另外一種非常普遍的塑料材料也不得不提——尼龍（PA）。在商用型3D打印設備上尼龍更常見，而且也是一種熱塑性塑料，對FDM3D打印機和SLS（激光燒結）3D打印機都有很好的支持。

尼龍3D打印制品具備良好的力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐腐蝕性，并且尼龍相對潤滑。傳統熱塑成型工藝尼龍材料用在卡扣、塑料鉚釘、扎帶上，而3D打印的塑形能力再擴展應用，用在模型展示、鞋靴中底、工藝品、備用零件上，甚至柔性的尼龍還用來3D打印服裝面料，在時尚圈也有一席之地。

目前來看塑料材質在3D打印行業中是最常見、使用最多的一類。

●決定應用上限金屬和合金

工程塑料材料意味著3D打印技術的普及程度，而金屬和合金材料的應用則決定了3D打印技術的上限，能夠用在特殊的場景或環境中。近兩年，適用3D打印的金屬種類大大豐富，而且最近的科研成果有望加入種類更豐富的合金材料。

2015年到2017年，資本更多地進入到商業級和工業級應用的金屬3D打印行業，隨之而出現了不銹鋼、鋁、金、銀、鉑金以及黃銅、青銅、鈦合金等多種金屬材料。除了在定制服務商處為普通消費者定制配飾、禮品之外，金屬材料3D打印更尖端的應用在于航空航天、國防軍事、船舶制造、衛星通信方面。

定制服務商Shapeways支持貴金屬3D打印

英國雷尼紹曾3D打印完整的鈦合金自行車架來展示鈦合金件的輕量化、高強度，優化的中空結構使得3D打印車架重量僅1.4千克。相比碳纖維車架，鈦合金車架有更高的剛度和硬度，在山地車賽中經常出現摔車場景，而鈦合金車架可以保障完好無損。

更進一步，中國國產大飛機C919就采用了3D打印的大型鈦合金構件。而2017年9月份，空中客車公司宣布在量產的A350XWB客機上使用鈦合金連接件支架，這是首次將金屬3D打印零件應用在量產民航客機上。

同樣是在9月，《Nature》雜志發表文章，美國科學家在鋁合金材料粉末加入氫化鋯納米粒子并激光熔融3D打印，得到強度堪比鍛造材料的鋁合金3D打印件，避免了過去合金3D打印因應力而常出現的裂紋。而這項研究的意義在于添加劑同樣適用于多種合金墨粉3D打印，有可能大大拓展3D打印支持的合金材料——傳統加工的合金材料種類有五千多種，這是一個豐富的資源池。

目前金屬3D打印技術和材料都是資本和行業關注重點，3D打印技術的應用天花板恐怕就靠金屬3D打印來決定了。

●專行專用光敏樹脂

光敏樹脂由于美國Kickstarter眾籌明星Form13D打印機的緣故，一度與大眾距離非常近，當時桌面型3D打印唯精度論，使用光敏樹脂耗材的Form1廣受關注。

確切地說光敏樹脂是包含光引發劑的混合物，在光照射下由粘稠的液體轉為固體。光敏樹脂特別用在SLA/DLP3D打印技術上，也用在某些噴射+光照固化技術中，比如Stratasys的PolyJet3D打印技術。

因此我們不能說光敏樹脂是某種化學物質，它在不同的配比之后3D打印能夠得到類似ABS、尼龍等工程塑料材質的樣品而物理性能更佳，甚至可以作為試制注塑模具。另外樹脂的性能決定了它的應用方向，石蠟樹脂通常作為珠寶首飾的陰模，用于首飾鑄造；牙科樹脂則用于復原牙床結構，制作義齒。

美國研究人員更研制出陶瓷性質光敏樹脂，3D打印成品高溫燒制后具備顯著陶瓷特性，能夠耐1700攝氏度高溫、絕緣并且隔熱，有望用在火箭發動機上得到應用。
耐高溫的3D打印陶瓷

還有很多專用的3D打印材料，包括用于金屬制模的砂石材料，用于全彩人像3D打印的石膏材料，用于建造房屋的混凝土等等。新材料不斷，每一種材料都意味著一個新的應用領域。

當然從新材料開發到成熟，再到試用、商用化以及最終大規模量產，需要一個很長的過程，涉及普通消費者的接納程度、健康和安全因素，3D打印新材料和技術的應用推廣還需要幾年時間。我們樂意見到新技術、新材料給生活帶來改變和升級，橡膠、碳纖維、鋰電池無一不是如此。