3D打印材料的發(fā)展及其制備現(xiàn)狀

1、3D打印材料的發(fā)展及其制備現(xiàn)狀摘要：3D打印，又稱快速成型制造技術(shù)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)，其中材料是3D打印物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印快速發(fā)展的瓶頸，本文章綜述了3D打印中材料的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了現(xiàn)在用于3D打印的幾類主要材料及在3D打印中對所用材料的要求，并指出了當(dāng)前3D打印材料發(fā)展現(xiàn)狀及制備所面臨的主要問題，最后總結(jié)了3D打印材料方面未來的一些發(fā)展趨勢和方向。關(guān)鍵詞：3D打??；快速成型制造技術(shù);3D打印材料;制備方法前言3D打印是指運(yùn)用計算機(jī)軟件設(shè)計出立體的加工樣式然后通過特定的成型設(shè)備用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層打印出產(chǎn)品, 與傳統(tǒng)的減材制造不同.3D打印技術(shù)屬

2、于增材制造1, 其無需原胚和磨具,就能直接根據(jù)計算機(jī)圖形數(shù)據(jù),通過增加材料的方法生產(chǎn)形狀的物體,簡化產(chǎn)品的制造程序,縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高效率并降低成本. 可見,3D打印是一種依托信息技術(shù)、精密機(jī)械和材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)包括“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”2大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術(shù)”范疇。其實快速原型制造的范疇比較廣，除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”、“立體印刷”、“疊層實體造型”“光固化”等多種方式2。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，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)雜開關(guān)零件的

3、制造、模具的設(shè)計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。當(dāng)前3D打印己應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術(shù)創(chuàng)意產(chǎn)品、珠寶制作 等領(lǐng)域。但材料問題是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，從根本上決定了3D打印產(chǎn)品的精度，制作時間及使用性能等，當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的3D打印材料基本不能滿足要求，很大一部分都是采用國外進(jìn)口，由于在3D打印中對材料的要求很高，也是制約3D打印發(fā)展的瓶頸，這里簡要介紹當(dāng)前3D制造材料要求，發(fā)展現(xiàn)狀，制備過程及所存在問題，最后介紹了3D打印未來發(fā)展趨勢。1 3D打印材料及要求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

4、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33D打印所用的這些原材料都是專門針對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 。通常不同的打印工藝其選擇的材料和成型方法也有所不同，各成型工藝所用材料和優(yōu)缺點對比表如表1所示4。根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，3D打印對材料的一般要求為：所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1-100m不等；而為了使粉末保持良好的流動性,一般要求粉末要具有高球形度；同時具有

5、氧及其他雜質(zhì)含量低、粒度均勻可控、致密性好、結(jié)合強(qiáng)度高等特點。表1 各成型工藝所用材料和優(yōu)缺點對比表 類別方法 成型原理使用材料優(yōu)點缺點光固化成型液態(tài)光敏樹脂在一定的紫外線照射下發(fā)生聚合反應(yīng)，材料從液態(tài)變固態(tài)光敏樹脂精度較高、表面效果好工藝運(yùn)行及材料費(fèi)用高，零件強(qiáng)度低，無法進(jìn)行裝配熔融沉積成型以絲狀供料，被加熱熔化的材料從噴頭內(nèi)擠出，迅速固化的方法蠟、ABS、PC、尼龍等不用激光、使用、維護(hù)簡單、成本較低層與層固化過程中，對于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還需要一些輔助定位和支撐結(jié)構(gòu)選擇性激光燒結(jié)將粉末材料平鋪在己成形零件上表面，并刮平，高激光器燒結(jié)成型。不同材料的粉末為原料，例如：金屬粉末，陶瓷粉末，聚碳

6、酸脂等材料選材廣泛，無需考慮支撐系統(tǒng)，生產(chǎn)周期短等受粉末的影響，在燒結(jié)過程中會產(chǎn)生各種缺陷（裂紋、變形、氣孔等）分層實體制造加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與己成形工件粘接，用激光器在新層上切割出截面輪廓，如此反復(fù)薄片材料，如紙、塑料薄膜等原型精度高，原材料價格便宜，成型速度快。有較高的硬度和較好的機(jī)械性能。不能直接制作塑料工件，工件的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好，工件易吸濕膨脹，前后處理費(fèi)時費(fèi)力三維印刷有選擇性地噴射粘接劑將零件上平鋪好的粉末粘結(jié)起來，最后燒結(jié)成型粉末材料，如陶瓷粉末，金屬粉末不用激光，成本較低，材料選擇廣泛，不用支撐結(jié)構(gòu)受粉末及燒結(jié)工藝的限制，產(chǎn)品的精度一般不高無模鑄型制造技術(shù)第一個噴

7、頭在每層鋪好的型砂上噴射粘接劑同時第二個噴頭噴射催化劑，并產(chǎn)生膠聯(lián)反應(yīng)砂，樹脂，石膏,催化劑等材料易得，可回收，鑄造過程高度自動化。敏捷化。使設(shè)計、制造的約束條件大大減少制造的模具強(qiáng)韌性不夠高、后處理操作的質(zhì)量有待提高。2.當(dāng)前3D打印材料發(fā)展現(xiàn)狀及所面臨的主要問題目前，3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是受打印材料方面的影響，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度

8、還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求5。3D打印對原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態(tài)提供。材料融化后在軟件程序驅(qū)動下，自動按設(shè)計工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來，完成成型。由于整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態(tài)變化，對適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。有專家指出，3D打印的核心是它對傳統(tǒng)制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說

9、，3D打印最關(guān)鍵的不是機(jī)械制造，而是材料研發(fā)2。2.1快速原型制造及材料現(xiàn)狀快速原型制造即通常所說的快速成型，目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設(shè)備工藝廠商針對各自設(shè)備特點定制的6，優(yōu)點是與專屬設(shè)備的適用性好，研制難度相對小，缺點是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差，產(chǎn)品成型過程的精度還有待提高，產(chǎn)品成型后的強(qiáng)度較低，可見，制品表面精度受粉末原材料特性的制約明顯，工藝對材料依賴性不容忽視。2.2高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)及所用材料現(xiàn)狀起步于20世紀(jì)90年代初，工藝難度比較大，高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。工藝過程主要采用高功率的能量束如激光或電子

10、束作為熱源，使粉末材料進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴(yán)格按設(shè)計制造的堆積層，堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。到目前為止，工業(yè)上的小型金屬構(gòu)件直接制造相對容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產(chǎn)業(yè)推動相關(guān)工業(yè)發(fā)展的重點方向，也將是一項關(guān)鍵技術(shù)。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例，激光熔化后的材料凝固會造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會由于大的內(nèi)應(yīng)力嚴(yán)重影響材料強(qiáng)度。第二個難題是材料冷卻結(jié)晶過程復(fù)雜，材料結(jié)晶過程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將

11、造成材料成型后的力學(xué)性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒辦法獲得實際應(yīng)用。2.3 3D打印材料粉末制備方法簡介及現(xiàn)狀目前，合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等，其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點，應(yīng)用效果最佳。 其中，高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快淬、霧化法等1 王忠宏李揚(yáng)張曼茵中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路J經(jīng)濟(jì)縱橫201328190132 王雪瑩，3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景.中國高新技術(shù)企業(yè).2012,26:2333孫聚杰，3D打印

12、材料及研究熱點.數(shù)字化技術(shù).2013,12:12-204杜宇雷，孫菲菲，原光等，3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀.徐州工程學(xué)院學(xué)報.2014,29，15 The 3Dprinted worldJEconomist，2011-2-106 古麗萍蓄勢待發(fā)的 3D 打印機(jī)及其發(fā)展 J數(shù)碼印刷，2 0 1 1 ，(10) 36-39.7 袁建鵬，3D打印用特種粉體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀J.新產(chǎn)業(yè)材料. 2013.12.0118 黃樹，肖躍加，莫健華等快速成形技術(shù)的展望中國機(jī)械工程，2000，11（1/2），195-200.9 劉厚才,莫健華,劉海濤三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械科學(xué)與術(shù),2008,27(9);118

13、4-1186.，其中旋轉(zhuǎn)電極法因其動平衡問題，主要制備20目左右的粗粉7 ；單棍快淬法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高，而氣體霧化法制備的粉末具有球形度較好、粒度可控、冷卻速度較快、細(xì)粉收得率高等優(yōu)點，但霧化合金粉末易也出現(xiàn)一些缺陷，例如夾雜物、熱誘導(dǎo)孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術(shù)來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導(dǎo)孔洞都會對成型部件產(chǎn)生影響。國外鈦及鈦合金粉末的研究由來已久，技術(shù)相對成熟，而國內(nèi)在霧化設(shè)備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設(shè)備仍以進(jìn)口為主，氫、氧等也高于國外同類產(chǎn)品水平8。目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進(jìn)口。而國外常將原材料與設(shè)備捆綁銷售，賺取

14、大量的利潤。國內(nèi)尚未針對3D打印技術(shù)用粉末開展相應(yīng)的研究9。如粉末成分、夾雜、物理性能對3D打印相關(guān)技術(shù)的影響及適應(yīng)性。因此針對低氧含量、細(xì)粒徑粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設(shè)計、細(xì)粒徑粉末氣霧化制粉技術(shù)、粉末特性對制品性能的影響等研究工作。國內(nèi)受制粉技術(shù)所限，目前細(xì)粒徑粉末制備困難，粉末收得率低、氧及其他雜質(zhì)含量高等，在使用過程中易出現(xiàn)粉末熔化狀態(tài)不均勻，導(dǎo)致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)不均勻等問題，國內(nèi)合金粉末存在的主要問題集中在產(chǎn)品質(zhì)量和批次穩(wěn)定性等方面，包括 ：粉末成分的穩(wěn)定性（夾雜數(shù)量、成分均勻性）；粉末物理性能的穩(wěn)定性（粒度分布、粉末形貌、流動性、松裝

15、比等）；成品率問題（窄粒度段粉末成品率低）等。3 3D打印產(chǎn)業(yè)及材料方面未來發(fā)展難點及趨勢3.1 3D打印要解決的問題 在3D打印快速成型方面，研發(fā)和生產(chǎn)通用性更強(qiáng)的材料是技術(shù)提升的關(guān)鍵。解決好材料的性能和成本問題，將會更好地推動我國的快速成型技術(shù)的發(fā)展。與此同時，國內(nèi)也逐漸的加強(qiáng)了3D打印材料制備裝置及材料研發(fā)方面的資金投入，為了打破國外壟斷的局面及價格問題，要更加注重3D打印材料生產(chǎn)工藝的研究，針對低氧含量、細(xì)粒徑均勻粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設(shè)計、細(xì)粒徑粉末氣霧化制粉技術(shù)、不同粉末特性對制品性能的影響等方面的研究。另一方面，對制備3D打印材料生產(chǎn)裝備的研發(fā)，也是亟需要解決

16、的一大難題。3.2 3D打印材料及技術(shù)方面未來發(fā)展的方向趨勢 根據(jù)3D打印的現(xiàn)有加工流程，比較常用的制造方法：是通過特定的成型設(shè)備用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層打印出產(chǎn)品，基于這種特殊的打印制造方式，我們可以從不同材料具有不同的特性和功能入手，例如：陶瓷材料可以承受高溫及耐腐蝕，鎳鈦諾形狀記憶合金具有超彈性和延展性，鈦合金具有高硬度及比較好的綜合性能等。那么，在3D打印制造過程中，在打印的不同的區(qū)域和不同層之間可以采取不同的材料進(jìn)行打印，這樣打印出來的整個產(chǎn)品的不同部分就可以同時適應(yīng)耐磨、耐腐蝕、耐高溫等不同的工作環(huán)境和工作要求，使材料和打印后的物體的綜合性能發(fā)揮到最大。但同時這一制造過程也同時必需要解決掉不同材料之間因熱應(yīng)力系數(shù)不同，膨脹系數(shù)不同等原因造成的結(jié)合性能上缺陷上問題。 另一方面，提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理