3D打印增材制造技術 課件 【ch02】3D打印增材制造技術

第二章增材制造材料及制備高等學校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設計造型基礎01金屬打印材料PARTONE1.鈦合金材料鈦是一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性好等特點而被廣泛用于制作飛機發(fā)動機的壓氣機部件，以及火箭、導彈和飛機的各種結構件。鈦合金材料抗腐蝕性能優(yōu)良，生物相容性良好(生物骨骼及其醫(yī)學替代器件方面),鈦合金也可以用于加工專為病人量身定做的植入手術所需的人工關節(jié)或其他精密部件等。利用電子束將鈦金屬的粉末在真空中加熱至熔融，并在計算機輔助設計下精確成型(如制成缽膝關節(jié)、髓關節(jié)等)。由于鈦粉末能在真空中熔融并成型，故可以避免在空氣中熔融所造成的氧化缺陷等質量問題。2.1金屬打印材料常用的金屬打印材料1近年來，3D打印技術逐漸應用于實際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術發(fā)展尤其迅速。3D打印所使用的金屬材料一般包括金屬粉末和金屬絲材。2.1金屬打印材料常用的金屬打印材料12.不銹鋼材料不銹鋼以其耐空氣、蒸氣、水等弱腐蝕性介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質的腐蝕而得到廣泛應用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價比較高的金屬粉末材料。應用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種:奧氏體不銹鋼316L、馬體不銹鋼15-5PH馬氏不銹鋼17-4PH。3.鋁合金材料應用于3D打印的鋁合金是具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬材料，同時具有熔點低、重量輕、負重強度大的優(yōu)點。該材料可應用于薄壁及復雜零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應用于航空航天及航空工業(yè)級的模型及生產(chǎn)零部件。常用的3D打印鋁合金主要有鋁硅AISin和A1SiMg兩種。2.1金屬打印材料常用的金屬打印材料14.銅基合金銅基合金具有良好的導熱、導電性能，耐磨與減磨性能好(銅粉易氧化，成分設計很重要)。5.鈷鉻合金鉆鉻合金是一種以鉆和鉻為主要成分的高溫合金，它的抗腐蝕性能和機械性能都非常優(yōu)異，用其制作的零部件強度高、耐高溫。6.鎳基合金鎳基合金的綜合性能良好，抗氧化、抗腐蝕能力優(yōu)良(多用于制備航空發(fā)動機的渦輪,屬于一種記憶合金)。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備2增材制造對金屬粉末材料的要求:尺寸在15~53um的金屬顆粒群，并盡可能同時滿足純度高、少/無空心，粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流動性好和松裝密度高等要求。理想的制備工藝是利用激光選區(qū)熔化增材制造專用粉體。3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、氧含量低、流動性好和松裝密度高等要求。1.等離子轉極(PREP)法

等離子旋轉電極(PREP)法是在俄羅斯發(fā)展起來的一種球形粉末制備工藝。PREP原理圖如圖2-1所示，先將金屬或合金加工成棒料并利用等離子體加熱棒端，同時將棒料進行高速旋轉，依靠離心力使熔化液滴細化，熔化液滴在惰性氣體環(huán)境中凝固并在表面張力作用下球化形成粉末:然后通過篩分將不同粒徑的粉末分級，經(jīng)過靜電去除夾雜物(僅針對高溫合金)后得到粉末產(chǎn)品。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備21.等離子轉極(PREP)法PREP法適用于鎮(zhèn)合金、高溫合金等合金粉末的制備。該方法制備的金屬粉末球形度較高，流動性好，但粉末粒度較粗。SLM技術用微細粒度(0~45um)粉末收得率低，細粉成本偏高。由于粉末的粗細即液滴尺寸的大小主要取決于棒料的轉速或棒料的直徑，所以轉速的提高必然會對設備密封、振動等指標提出更高的要求。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備2PREP法的缺點：制備的粉末粒度較粗、微細粒度粉末收得率低、細粉成本偏高。PREP法制備的粉末粒度范圍分布較小，不易獲得微細粉末，細粉收得率較低，由于細粉成本居高不下，這使得其在SLM技術應用上受到較大限制。該技術制備的粗粉在激光快速成型LSF工藝中獲得應用。PREP法的優(yōu)點：制備的粉末的表面光潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄。1.等離子轉極(PREP)法2.1金屬打印材料金屬粉末的制備22.等離子霧化(PA)法等離子霧化(PlasmaAtomization，PA)法是加拿大AP&C公司獨有的金屬粉末制備技術。該制備技術采用對稱安裝在熔煉室頂端的等離子體炬，形成高溫的等離子體焦點，溫度甚至可以高達10000K(9727C)。專用送料裝置將原材料金屬絲送入等離子體焦點，原材料先被迅速熔化或氣化，然后被等離子體高速沖擊分散霧化成超細液滴或氣霧狀，在霧化塔中飛行沉積的過程中，與通入霧化塔中的冷卻氯氣進行熱交換冷卻凝固成超細粉末。PA法的優(yōu)點：制備的粉末呈近規(guī)則球形，粉末整體粒徑偏小;45um以下粉末收得率極高，幾乎無空心球氣體夾帶，優(yōu)于氣霧化法。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備22.等離子霧化(PA)法PA法的缺點:制備的粉末球形度稍差，有衛(wèi)星粉。由于需要絲材作為原材料，該技術在制備難變形金屬材料方面遇到瓶頸，材料適用范圍小。在生產(chǎn)鎳基合金、鐵基合金等非活性金屬粉末方面，其生產(chǎn)成本較高。PA法已經(jīng)用于常規(guī)牌號鎮(zhèn)及合金粉末的批量制備，通粉中含有衛(wèi)星粉、片狀粉、納米顆粒等，經(jīng)處理后其粉末流動性良好。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備23.氣霧化(GA)法目前，增材制造用金屬粉末材料的氣霧化制備常用技術包括有堆場真空感應熔煉霧化(VacuumInduction-eltingGasAtomization，VIGA)法和無場電極感應熔煉氣霧化(ElectrodeInduction-meltinginertGasAtomization，EIGA)法。

(1)VIGA法采用場熔煉合金材料，合金液經(jīng)中間包底部導管流至霧化噴嘴處，被超音速氣體沖擊破碎，霧化成微米級尺度的細小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。VIGA原理圖如圖2-2所示。該方法主要適用于鐵基合金、錦基合金、鉆基合金、鋁基合金、銅基合金等粉末的生產(chǎn)制備。由于制粉效率高、合金適應范圍廣、成本低、粉末粒度可控等優(yōu)點，VIGA法是全球范圍內(nèi)增材制造粉末供應商普遍采用的技術方法。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備23.氣霧化(GA)法

(2)EIGA法將氣霧化技術與電極感應熔煉技術相結合，摒棄與金屬熔體相接觸的場等部件，將緩慢旋轉的預合金棒金屬電極降低至一個環(huán)形感應線圈中進行電極熔化，電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統(tǒng)，利用惰性氣進行霧化，可有效降低熔煉過程中雜質引入的概率，實現(xiàn)活性金屬的安全、潔凈熔煉。EIGA原理圖如圖2-3所示。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備23.氣霧化(GA)法EIGA法主要應用于活性金屬及其合金、金屬間化合物、難熔金屬等粉末材料的制備，欽及欽合金、欽鋁金屬間化合物的生產(chǎn)。在制備活性金屬粉末方面，EIGA法和PREP法相比具有節(jié)約材料、生產(chǎn)靈活、細粉產(chǎn)出多等優(yōu)點，適用于SLM技術用合金粉末的生產(chǎn)制備。

近年來，出現(xiàn)了超聲氣霧化、緊耦合氣霧化、層流氣霧化及熱氣體霧化等技術，可以制備滿足激光選區(qū)熔化(SLM)、激光同軸送粉等增材制造技術使用要求的粉末。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備23.氣霧化(GA)法GA法的優(yōu)點:請?zhí)鎿Q文字內(nèi)容。修改文字內(nèi)容，也可以直接復制你的內(nèi)容到此。請?zhí)鎿Q文字內(nèi)容。修改文字內(nèi)容，也可以直接復制你的內(nèi)容到此。GA法的缺點:制備的粉末球形度稍差，衛(wèi)星粉多，45~406um粉末空心粉率高，存在空氣夾帶，不適合于電子束選區(qū)熔化(EBSM)成型、直接熱等靜壓成型等粉末冶金領域。2.1金屬打印材料金屬粉末的制備24.等離子霧化(PS)法射頻等離子體具有能量密度高、加熱強度大、等離子體弧的體積大等特點，由于沒有電極，不會因電極蒸發(fā)而污染產(chǎn)品。射頻等離子體粉末球化技術的原理:在高頻電源作用下惰性氣體(如氣)被電離，形成穩(wěn)定的高溫惰性氣體等離子體，形狀不規(guī)則的原料粉末用運載氣體(氮氣)經(jīng)送粉器噴入等離子體中，粉末顆粒在高溫等離子體中吸收大量的熱量，表面迅速熔化，并以極高的速度進入反應器，在惰性氣氛下快速冷卻，在表面張力的作用下，冷卻凝固成球形粉末，再進入收料室中收集。圖2-4所示為等離子球化原理示意圖及球形粉末。PS法使用高能等離子體來生產(chǎn)高度球形和致密的金屬粉末。其原材料是非球形粉末，氧含量和氫含量高，因此其球形粉末的氧含量很難控制，細粉收得率也取決于其原始粉末的粒度。經(jīng)反復多次使用的增材制造金屬粉末可以作為PS法的原材料進行重新制粉2.1金屬打印材料金屬粉末的制備2PS法的優(yōu)點:制備的粉末形狀規(guī)則，球化率高，表面光潔，流動性好，可制備高熔融溫度的難熔金屬，如鉅、鎢、鉅和鉑。PS法的缺點:加熱周期長，容易造成揮發(fā)性元素揮發(fā)，不規(guī)則粉未表面積大，氧含量高。4.等離子霧化(PS)法2.1金屬打印材料金屬絲材制備工藝3生產(chǎn)工藝流程:盤條精整一檢驗一固溶處理-浸潤滑涂層-烘于一拉拔一酸洗一精整-檢驗一固處理一浸潤滑涂層一烘處驗包裝一入庫根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，在上述生產(chǎn)過程中，影響絲線材表面質量的關鍵工序是拉拔。2.金屬絲拉拔的原理金屬絲拉拔:在拉拔力的作用下將盤條或線壞從拉絲模的模孔拉出，以生產(chǎn)小斷面的鋼絲或有色金屬線的金屬塑性加工過程。各種金屬及合金的不同斷面形狀和尺寸的金屬絲都可以采用拉拔生產(chǎn)。拉出的絲尺寸精確、表面光潔，且所用拉拔設備和模具簡單，制造容易。1.生產(chǎn)工藝流程2.1金屬打印材料金屬絲材制備工藝3按拉拔時金屬的溫度分，在再結晶溫度以下的拉拔是冷拔，在再結晶溫度以上的拉拔是熱拔，在高于室溫低于再結晶溫度的拉拔是溫拔。(1)冷拔是金屬絲、線生產(chǎn)中應用最普遍的拉拔方式。(2)熱拔時，金屬絲進入模孔前要加熱，主要用于高熔點金屬的拉拔，如鎢、鉑等金屬絲。(3)溫拔時，金屬絲也需要通過加熱器加熱到指定范圍的溫度才進入模孔進行拉拔，主要用于鋅絲、難變形的合金絲如高速鋼絲、軸承鋼絲的拉拔。4.金屬絲拉拔的工藝特點金屬絲拉拔的應力狀態(tài)為二向壓應力、一向拉應力的三向主應力狀態(tài)，它與三向都是壓縮應力的主應力狀態(tài)相比，被拉拔的金屬絲較易達到塑性變形狀態(tài)。拉拔的變形狀態(tài)為二向壓縮變形、一向拉伸變形的三向主變形狀態(tài)，該狀態(tài)對發(fā)揮金屬材料的塑性不利，較容易產(chǎn)生和暴露表面缺陷。3.金屬絲拉拔的分類5.金屬絲拉拔設備金屬拉絲機屬于標準件等金屬制品生產(chǎn)預加工設備，目的是把由鋼材生產(chǎn)廠家生產(chǎn)運輸至標準件等金屬制品生產(chǎn)企業(yè)的線材或棒材經(jīng)過拉絲機的拉拔處理，使線材或棒材的直徑、圓度、內(nèi)部金相結構、表面光潔度和矯直度都達到標準件等金屬制品生產(chǎn)需要的原料處理標準。因此拉絲機對線材或棒材的預處理質量直接關系到標準件等金屬制品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質量。拉絲機廣泛應用于鋼絲、制繩絲、預應力鋼絲、標準件等金屬制品的生產(chǎn)和預加工處理。2.1金屬打印材料金屬絲材制備工藝302高分子打印材料PARTTWO2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

1.ABSABS樹脂是目前產(chǎn)量最大，應用最廣泛的聚合物，它將PS、SAN、BS的各種性能有機地統(tǒng)一起來，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學性能。ABS樹脂是烯睛、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯睛，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS樹脂具有優(yōu)良的綜合性能，有極高的沖擊強度，極好的尺寸穩(wěn)定性、電性能、耐磨性、抗化學藥品性、染色性，對其采用成型加工和機械加工較好。ABS樹脂耐水、無機鹽、堿和酸類，不溶于大部分醇類和烴類溶劑，而容易溶于醛、酮、酷和某些氯代烴中ABS樹脂的缺點:熱變形溫度較低、可燃、耐候性較差。1.ABSABS樹脂為無定形聚合物，其玻璃化轉變溫度(T)為90100C，黏流溫度(T)為160~170C，分解溫度(T)為230~250C，因此具有較大的加工溫度區(qū)域(黏流態(tài)區(qū)域),正常變形溫度超過90C，可進行機械加工(鉆孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍。熔融狀態(tài)下ABS樹脂為非牛頓流體，其熔體黏度與加工溫度及剪切速率都有關系，但對剪切速率更為敏感。ABS樹脂的顏色種類有很多，如象牙色、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。2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PC(聚碳酸酷)是一種性能優(yōu)良的非結晶性工程塑料，其沖擊韌性、機械性能十分突出，使用溫度范圍較大，無毒，耐候性好，成型收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好，是最早應用于SLS技術領域的高分子材料之一，在快速制造薄壁和精密零件設計上相較于石蠟有較大優(yōu)勢。PC材料是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性:高強度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲，可以作為最終零部件使用。使用PC材料制作的樣件，可以直接裝配使用，應用于交通工具及家電行業(yè)。請?zhí)鎿Q文字內(nèi)容。修改文字內(nèi)容，也可以直接復制你的內(nèi)容到此。2.PCPC材料的顏色比較單一，只有白色，但其強度比ABS樹脂高出60%左右，具備超強的工程材料屬性，廣泛應用于家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領域。2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

尼龍是一種半結晶性白色高分子材料，在選擇性激光燒結中可以制備出致密度較高、強度較大的燒結件。尼龍玻纖是一種白色的粉末，與普通塑料相比，其拉伸強度、彎曲強度有所增加，熱變形溫度及材料的模量有所提高，材料的收縮率減小，但表面變粗糙，沖擊強度降低。尼龍玻纖具有良好的力學性能和生物相容性，經(jīng)認證達到食品安全等級，精細度高,性能穩(wěn)定，能承受高溫烤漆和金屬噴涂，適用于制作展示模型、功能部件、真空鑄造模型、最終產(chǎn)品和零配件。它的表面是有一種沙沙的、粉末的質感，也略微有些疏松。材料熱變形溫度為110C，主要應用于汽車、家電、電子消費品領域。3.尼龍類材料2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PS(聚苯乙烯)屬于熱塑性樹脂，熔融溫度為100C，受熱后可熔化、黏結，冷卻后可以固化成型，而且該材料吸濕率很小，僅為0.05%，收縮率也較小，其粉料經(jīng)過改性后，即可作為激光燒結成型用材料。4.PSPS為非結晶性材料，在選擇性激光燒結中成型精度較好。PS的特點:屬于無定型聚合物，沒有明顯熔點，適宜操作窗口寬:吸濕率較小，在燒結前不需要經(jīng)干燥處理:來源廣泛;燒結溫度較低，不需要加熱至較高溫度即可成型，節(jié)約能源。2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PLA(聚乳酸)樹脂是一種新型的可生物降解的熱塑性樹脂，它是由玉米等谷物原料經(jīng)過發(fā)酵、聚合、紡絲制成的。其生產(chǎn)過程為:0將玉米中的淀粉提煉成植物糖，@植物糖經(jīng)過發(fā)酵形成乳酸;@乳酸經(jīng)過聚合生成高性能的乳酸聚合物;@將這種聚合物經(jīng)過熔體紡絲等紡絲方法制成PLA纖維。PLA的紡絲可采用溶液紡絲和熔融紡絲兩種方法來實現(xiàn)，目前熔融紡絲法已經(jīng)成為PLA紡絲加工的主流方法。PLA具有可快速降解性，良好的熱塑性、機械加工性、生物相容性及較低的熔體強度等優(yōu)異性能，所以它打印的模型更易塑型、表面光澤、色彩艷麗。在熔融沉積成型(FDM)打印機中，PLA線條打印出來的樣品成型好、不翹邊、外觀光滑。除此之外，它最大的優(yōu)點還在于它的環(huán)保性。打印無氣味的特點使PLA已成為目前市面上所有FDM技術的桌面型3D打印機最常使用的材料。5.PLA2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PVA(聚乙烯醇)是一種可生物降解的合成聚合物，它最大的特點就是具有良好的水溶性。作為一種應用于FDM中的新型打印線條，PVA在打印過程中是一種很好的支撐材料。在打印過程結束后，由之所組成的支撐部分能在水中完全溶解且無毒無味，因此可以很容易地從模型上去除。6.PVA2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PETG材料是一種透明塑料，屬于非結晶型共聚酷，它既有PLA的光澤度，也有ABS的強度，是兩者的綜合體。PETG是采用甘乙烯生產(chǎn)的以生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。PETG具有出眾的熱成型性、堅韌性與耐候性，熱成型周期短、成型溫度低、成品率高。PETG材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性，無須在密閉空間里儲存。由于PETG材料的收縮率小、成型溫度低，在打印過程中幾平?jīng)]有氣味，PETG材料在3D打印領域的產(chǎn)品具有事為廣闊的開發(fā)應用前景。PETG是進口原料，環(huán)保材料，無氣味:打印模型時出料暢順，不易堵頭;打印產(chǎn)品光澤度高，強度高，表面光滑，具有半透明效果，產(chǎn)品不易破裂。7.PETG2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

TPU(熱塑性聚氨酷彈性體橡膠)主要分為聚型和聚醚型。它硬度范圍大(60HA~85HD)、耐磨、耐油、透明度高、彈性好，在日用品、體育用品、玩具、裝飾材料等領域得到廣泛應用。無鹵阻燃TPU可以代替軟質PVC以滿足越來越多領域的環(huán)保要求。3D打印耗材TPU是介于橡膠和塑料之間的一種成熟的環(huán)保材料，其制品目前廣泛應用于鞋業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、電子電器、工業(yè)及體育等領域。8.TPU2.2高分子打印材料1常用的高分子打印材料

PEEK(聚酷酥酮)是由在主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重復單元所構成的高聚物，屬特種高分子材料。其具有耐高溫、耐化學藥品腐蝕等物理化學性能，是一類半結晶高分子材料，軟化點為168C，熔點為334C，拉伸強度為132~148MPa，可用作耐高溫結構材料和電絕緣材料，可與玻璃纖維或碳纖維復合制備增強材料。PEEK一般采用與芳香族二元酚縮合的方式取得一種聚芳醚類高聚物。PEEK的耐高溫熱性能十分突出，可在250C的溫度條件下長期使用，瞬間使用溫度可達300C:其剛性大，尺寸穩(wěn)定性好，線脹系數(shù)較小，接近于金屬鋁材料:PEEK的化學穩(wěn)定性好，對酸、堿及幾乎所有的有機溶劑都有很強的抗腐蝕能力，同時具有阻燃、抗輻射等性能:PEEK的耐滑動磨損和微動磨損性能優(yōu)異，尤其是能在250C的溫度條件下保持高耐磨性和低摩擦系數(shù);此外，PEEK易于擠出和注射成型。由于PEEK具有優(yōu)良的綜合性能，在許多特殊領域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料。PEEK主要應用于汽車和航空發(fā)動機箱、礦燈反射器、熱交換器部件、閥門襯套及深海油田制件，在機械、石油、化工、核電、軌道交通、電子和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。9.PEEK2.2高分子打印材料2高分子絲材的制備擠出成型是高分子材料加工領域中變化眾多、生產(chǎn)率高、適應性強、用途廣泛、所占比重最大的成型加工方法。擠出成型是使高聚物的熔體(或黏性流體)在擠出機的螺桿或柱塞的擠壓作用下通過一定形狀的口模而連續(xù)成型的加工方法，所得的制品為具有恒定斷向形狀的連續(xù)型材。擠出成型工藝適合于所有的高分子材料，只要改變機頭口模，就可以改變制品形狀。擠出成型的基本原理如下。

(1)塑化:在擠出機內(nèi)將固體塑料加熱并依靠塑料之間的內(nèi)摩擦熱使其成為黏流態(tài)物料。(2)成型:在擠出機螺桿的旋轉推擠作用下，通過具有一定形狀的口模，使黏流態(tài)物料成為連續(xù)型材。(3)定型:用適當?shù)姆椒ǎ箶D出的連續(xù)型材冷卻定型為制品。2.2高分子打印材料3高分子粉材的制備1.低溫粉碎法低溫粉碎法是利用某些材料在低溫條件下的冷脆特性進行粉碎的，可以得到較細的顆粒，在低溫條件下粉碎物料，也可以保持物料的品性，提高物料的價值。低溫粉碎法在國外已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，利用液氮或天然氣的冷量，粉碎廢舊輪胎，得到精細冷凍膠粉。低溫粉碎法的工作流程:用制冷劑將需要粉碎的物料快速冷凍到冷脆溫度以下，隨后將冷凍物料送入粉碎裝置中進行粉碎。用低溫粉碎法制備的膠粉粒子，粒徑較小，表面光滑，邊角呈鈍角狀態(tài)，熱氧化程度低，性能好。冷凍粉碎法以塊狀粒狀生膠、廢舊橡膠制品、廢舊輪胎等固態(tài)膠為原料，通過冷卻介質將其冷卻到玻璃化溫度以下，進行機械粉碎。這種方法生產(chǎn)成本高，主要用于高性能制品中,如子午線輪胎胎面膠、高性能塑料、涂料、黏結劑和軍工產(chǎn)品等。2.2高分子打印材料3高分子粉材的制備1.低溫粉碎法高分子材料在低溫下會因分子鏈運動能力下降導致脆化，利用這一特性，可以采用深冷沖擊法來制備高分子粉末材料。一般使用液氮作為制冷劑，將原材料冷凍至液氮的溫度，保持粉碎機內(nèi)部溫度在合適的狀態(tài)，加入原料并粉碎。溫度越低，粉碎效率越高，所制備的粉末越細。高分子原材料的性質取決于采用的粉碎溫度，如聚苯乙烯的脆化溫度為-30C，可以適當提高冷凍溫度，而尼龍12的脆化溫度為-70C，必須采用較低的粉碎溫度。低溫粉碎法工藝簡單，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，但需要專業(yè)設備，能量消耗大，由于用破碎機理制備出的粒子形狀不規(guī)則，粒度大小不均勻，很難一次達到想要的粒徑分布，需要多次篩分、粉碎之后才能使用。圖2-5所示為STP1粉末的制備工藝流程。2.2高分子打印材料3高分子粉材的制備2.2高分子打印材料3高分子粉材的制備溶劑沉淀法是將聚合物溶解在適當?shù)娜軇┲校ㄟ^改變溫度或加入第二組分等方法使聚合物以粉末狀析出。這種方法特別適用于能溶于溶劑的高分子材料。一般溶劑沉淀法容易獲得形狀、粒度都較好的顆粒，但制備工藝較為復雜，對于不同的聚合物所選用的溶劑也有不同。圖2-6所示為用溶劑沉淀法制備尼龍12粉末的工藝流程。2.溶劑沉淀法通過控制溶劑用量、溶解溫度、保溫時間和攪拌速度可以控制粒徑大小及其分布，制備不同粒徑的粉末材料。03光敏樹脂材料PARTTHREE2.3光敏樹脂材料光敏樹脂是用于光固化成型(SLA)或數(shù)字光處理(DLP)技術的重要材料。這種3D材料具有高強度、耐高溫和防水的優(yōu)點。它在一定波長的紫外光(250300nm)照射下能立刻發(fā)生聚合反應并完成固化。通常光敏樹脂都具有一定的毒性，需要進行密封保存。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂的組成1

光敏樹脂即UlravioletRays(UV)樹脂，主要由低聚物、反應稀釋劑和光引發(fā)劑組成：(1)低聚物是光敏樹脂的主體，是一種含有不飽和官能團的基料，它的末端有可以聚合的活性基團，一旦有了活性種，就可以繼續(xù)聚合長大，一經(jīng)聚合，分子量上升極快，很快就可以成為固體。(2)反應稀釋劑是一種功能性單體，其結構中含有不飽和雙鍵，如乙烯基、烯丙基等可以調(diào)節(jié)低聚物的黏度，但不容易揮發(fā)，且可以參加聚合。反應稀釋劑一般分為單官能度雙官能度和多官能度三種。(3)光引發(fā)劑是激發(fā)光敏樹脂交聯(lián)反應的特殊基團，當受到特定波長的光子作用時，會變成具有高度活性的自由基團，作用于基料的高分子聚合物，使其產(chǎn)生交聯(lián)反應，由原來的線狀聚合物變?yōu)榫W(wǎng)狀聚合物，從而早現(xiàn)為固態(tài)。光引發(fā)劑的性能決定了光敏樹脂的固化程度和固化速率。2.固化收縮率小液態(tài)樹脂分子間的距離是范德瓦耳斯力距離，距離為0.3~05nm。固化后，分子發(fā)生了交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結構分子間的距離轉化為共價鍵距離，距離約為0.154nm，顯然固化前后分子間的距離減小了。分子間發(fā)生一次加聚反應，距離要減小0.125~0.325nm?；瘜W變化過程中，C=C轉變?yōu)镃-C，鍵長略有增加，對分子間作用距離變化的貢獻是很小的。固化后必然出現(xiàn)體積收縮。液態(tài)樹脂分子固化前后由無序變?yōu)檩^有序，會出現(xiàn)體積收縮。收縮對成型模型十分不利，會產(chǎn)生內(nèi)應力，容易引起模型零件變形，出現(xiàn)翹曲、開裂等問題，影響零件的精度。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂的性能21.黏度低光固化成型技術根據(jù)CAD模型，將樹脂一層層疊加成零件。當完成一層后，由于液態(tài)樹脂表面張力大于固態(tài)樹脂表面張力，液態(tài)樹脂很難自動覆蓋已固化的固態(tài)樹脂的表面，所以必須借助自動刮板將樹脂液面刮平涂覆一次，而且只有待液面流平后才能加工下一層這就需要樹脂有較低的黏度，便于操作。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂的性能24.溶脹度小在模型成型過程中，液態(tài)樹脂一直覆蓋在已固化的部分工件上面，能夠滲入固化件內(nèi)而使已經(jīng)固化的樹脂發(fā)生溶脹，造成零件尺寸增大。只有樹脂溶脹度小，才能保證模型的精度。3.固化速率高一般光敏樹脂成型時以每層厚度0.1~0.2mm進行逐層固化，完成一個零件要固化百至數(shù)千層。因此，如果要在較短時間內(nèi)制造出實體，那么固化速率是非常重要的。激光束對一個點進行曝光的時間僅為微秒至毫秒的范圍，幾乎相當于所用光引發(fā)劑的激發(fā)態(tài)壽命。低固化速率不僅影響固化效果，同時也直接影響著成型機的工作效率，很難適用于商業(yè)生產(chǎn)。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂的性能25.光敏感性高由于SLA所用的是單色光，所以要求感光樹脂與激光的波長必須匹配，即激光的波長盡可能在感光樹脂的最大吸收波長附近。同時感光樹脂的吸收波長范圍應該小，這樣可以保證只在激光照射的點上發(fā)生固化，從而提高零件的制作精度。6.固化程度高光敏樹脂可以減少后固化成型模型的收縮，從而減少后固化變形。7.濕態(tài)強度高較高的濕態(tài)強度可以保證后固化過程不產(chǎn)生變形、膨脹及層間剝離。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料的分類31.自由基光固化樹脂(1)環(huán)氧樹脂丙烯酸酷，該類材料聚合快、模型強度高但脆性大且易泛黃。(2)聚酷丙烯酸酷，該類材料流平性和固化性好，性能可調(diào)節(jié)。(3)聚氨酷丙烯酸酷，該類材料生成的模型柔順性和耐磨性好，但聚合速度慢。反應稀釋劑包括多官能度單體與單官能度單體兩類。此外，常規(guī)的添加劑還有阻聚劑、UV穩(wěn)定劑、消泡劑、流平劑、光敏劑、天然色素等。其中的阻聚劑特別重要，因為它可以保證液態(tài)樹脂在容器中存放較長的時間2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料的分類32.陽離子光固化樹脂陽離子光固化樹脂主要成分為環(huán)氧化合物，用于光固化工藝的陽離子型低聚物和反應稀釋劑，通常為環(huán)氧樹脂和乙烯基醚。環(huán)氧樹脂是最常用的陽離子型低聚物，其優(yōu)點如下：(1)固化收縮率小，預聚物環(huán)氧樹脂的固化收縮率為2%~3%，而自由基光固化樹脂的預聚物丙烯酸醋的固化收縮率為5%~7%。(2)產(chǎn)品精度高、強度高，產(chǎn)品可以直接用于注塑模具。(3)陽離子聚合物是活性聚合物，在光熄滅后可以繼續(xù)引發(fā)聚合。(4)氧氣對自由基聚合有阻聚作用，而對陽離子樹脂無影響。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料的分類33.混雜型光固化樹脂目前的趨勢是使用混雜型光固化樹脂。其主要優(yōu)點如下。：(1)環(huán)狀聚合物進行陽離子開環(huán)聚合時，體積收縮率很小甚至產(chǎn)生膨脹，而自由基體系總有明顯的收縮?；祀s型體系可以設計成無收縮的聚合物。(2)當系統(tǒng)中有堿性雜質時，陽離子聚合的誘導期較長，而自由基聚合的誘導期較短，混雜型體系可以提供誘導期短而聚合速度穩(wěn)定的聚合系統(tǒng)。(3)在光照消失后陽離子仍可引發(fā)聚合，故混雜型體系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合終結的缺點。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料固化機理4當光敏樹脂中的光引發(fā)劑被光源(特定波長的紫外光或激光)照射吸收能量時，會產(chǎn)生自由基或陽離子，自由基或陽離子使單體和活性低聚物活化，從而發(fā)生交聯(lián)反應而生成高分子固化物。由于低聚物和稀釋劑的分子上一般都含有兩個以上可以聚合的雙鍵或環(huán)氧基團因此聚合得到的不是線性聚合物，而是一種交聯(lián)的體形結構，其過程可以表示為:下面分別介紹自由基體系、陽離子型光固化體系和混雜聚合體系的聚合過程。

2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料固化機理4自由基聚合反應是光敏樹脂固化中最常見的反應類型。首先，自由基引發(fā)劑在紫外光作用下發(fā)生短鏈或者脫氫反應產(chǎn)生自由基活性中心，然后，單體或低聚物上的雙鍵不斷加成到自由基活性中心上，發(fā)生類似暴聚的反應而固化。其反應包括以下三個階段:鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止。光引發(fā)劑在一定波長的光的照射下從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生活性初級自由基初級自由基與單體加成,形成單體自由基并與下一個單體或低聚物分子反應生成新的自由基新自由基仍具有高活性，可繼續(xù)與其他單體或聚合物結合生成重復單元更多的鏈自由基，最終生成大分子，活性自由基最終以偶合方式和歧化方式相互作用而終止。自由基體系收縮的化學反應機理:從化學反應過程來講，光敏樹脂的固化過程是從小分子向長鏈或體型大分子的轉變過程，其分子結構發(fā)生了很大變化，所以在固化過程中的收縮是必然的。光敏樹脂的收縮主要是由固化收縮造成的，固化收縮產(chǎn)生體積收縮的主要原因是單體或低聚物官能度大造成原本聚合完成的聚合物之間再次聚合，分子被“拉緊”故導致體積收縮的產(chǎn)生。體積收縮會導致成品精度大幅度降低。1.自由基體系2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料固化機理41.自由基體系光敏樹脂材料固化收縮而引起的翹曲變形可以從以下兩點來分析。(1)單體的官能度。通過上面的固化過程可知，單體的官能度越高，所引起的固化收縮越嚴重。(2)低聚物和單體比例。低聚物相對于單體來說分子量要大得多，所以從官能團濃度來講，低聚物官能度遠小于單體官能度，所以原料中單體比例越大固化收縮越嚴重，產(chǎn)品的翹曲變形越嚴重。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料固化機理42.陽離子型光固化體系陽離子體系下進行的光固化是在陽離子反應機理條件下發(fā)生的，引發(fā)劑在與本身所需波長光的照射下生成活性中心，陽離子再引發(fā)單體進行聚合。陽離子型光固化體系的特點是光照躍遷產(chǎn)生活性分子并脫氫產(chǎn)生路易斯酸。酸的強弱是聚合的關鍵，若酸性不強，則導致相應的陰離子親核性相對較大，容易與碳正離子中心結合而阻止聚合。與自由基引發(fā)體系相比陽離子型光固化體系具有聚合完成后可在無光條件下繼續(xù)反應、無氧阻、固化速率低、受濕度影響大的特點。2.3光敏樹脂材料光敏樹脂材料固化機理43.混雜聚合體系混雜聚合體系大致包括兩類:一是丙烯酸酷和環(huán)氧化合物組成的混雜體系，二是丙烯酸酷和乙烯基酥類組成的混雜體系。混雜聚合體系結合了自由基體系與陽離子型光固化體系名方面的優(yōu)點，產(chǎn)品收縮率明顯減小。04陶瓷打印材料PARTFOUR2.4陶瓷打印材料陶瓷打印材料不僅具有優(yōu)良的高溫性能，而且具有高強度、高硬度、低密度、好的化學穩(wěn)定性等特性，其在航空航天、汽車、生物等行業(yè)得到廣泛應用。1常用的陶瓷打印材料

1.氧化鋁陶瓷2.4陶瓷打印材料1常用的陶瓷打印材料

1.氧化鋁陶瓷2.4陶瓷打印材料1常用的陶瓷打印材料

2.二氧化硅陶瓷2.4陶瓷打印材料1常用的陶瓷打印材料

3.碳化硅陶瓷2.4陶瓷打印材料1常用的陶瓷打印材料

4.氮化硅陶瓷2.4陶瓷打印材料1常用的陶瓷打印材料

5.磷酸三鈣陶瓷2.4陶瓷打印材料2陶瓷粉體的制備

制備現(xiàn)代陶瓷材料所用粉末都是亞微米級超細粉末，且現(xiàn)在已發(fā)展到納米級超細粉末。粉末的顆粒形狀、尺寸分布及相結構對陶瓷的性能也有著顯著的影響。能使組分之間發(fā)生固相反應，得到所需的物相。粉末制備方法很多，但大體上可以歸結為機械研磨法和化學法兩個方面，人們普遍采用化學法得到各種粉末原料。1.固相法固相法利用固態(tài)物質間所發(fā)生的各種固態(tài)反應來制取粉末。在制備陶瓷粉體原料中常用的固態(tài)反應包括化合反應法、熱分解反應法和氧化物還原反應法。(1)化合反應法化合反應法一般具有以下的反應結構式:2.4陶瓷打印材料2陶瓷粉體的制備

該固相化學反應在空氣中加熱進行，生成用于PTC制作的欽酸鹽，放出二氧化碳。但是，該固相化合反應的溫度控制必須得當，否則得不到理想的、粉末狀欽酸鋇。

2.4陶瓷打印材料2陶瓷粉體的制備2.液相法由液相法制備粉末的基本過程為:金屬鹽溶液一鹽或氫氧化物一氧化物粉末熱分解過程中，分解溫度固然是個重要因素，然而氣氛的影響也很明顯。由溶液制備粉末的方法，其特點是易控制組成，能合成復合氧化物粉末;添加微量成分很方便，可獲得良好的混合均勻性等。但是，必須嚴格控制操作條件，才能使生成的粉末保持溶液所具有的在離子水平上的化學均勻性。沉淀法的基本工藝路線是在金屬鹽溶液中施加或生成沉淀劑，并使溶液揮發(fā)，對所得到的鹽和氫氧化物通過加熱分解得到所需的陶瓷粉末。這種方法能很好地控制反應物的組成,合成多元復合氧化物粉末，很方便地添加微量成分，使反應物得到很好的均勻混合。但必須嚴格控制操作條件。沉淀法分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法。2.4陶瓷打印材料2陶瓷粉體的制備3.氣相法由氣相生成微粉的方法有兩種:一種是系統(tǒng)不發(fā)生化學反應的蒸發(fā)-凝聚法(PVD)，另-種是氣相化學反應法(CVD)。(1)蒸發(fā)-凝聚法是將原料加熱至高溫(用電弧或等離子流等加熱)，使之氣化，接著在電弧焰和等離子焰與冷卻環(huán)境造成的較大溫度梯度條件下急冷，凝聚成微粒狀物料的方法。(2)氣相化學反應法是揮發(fā)性金屬化合物的蒸發(fā)通過化學反應合成所需要物質的方法。氣相化學反應法可分為兩類:一類為單一化合物的分解;另一類為兩種以上化學物質之間的反應。2.4陶瓷打印材料3覆膜砂材料1.材料成分覆膜砂材料采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂包覆錯砂(Zr02)、石英砂(SiO)氧化鋁(A10;)和碳化硅(SiC)的方法制得。2.用途(1)砂型鑄造及型芯的制。適用于單件、小批量砂型鑄造金屬鑄件的生產(chǎn)，尤其適用于傳統(tǒng)制造技術難以實現(xiàn)的金屬鑄件，其中錯砂具有更好的鑄造性能，尤其適用于具有復雜形狀的有色合金鑄件，如鎂、鋁等合金的鑄造。(2)直接制造工程陶瓷制件。燒結后再經(jīng)熱等靜壓處理，零件最后相對密度高達99.9%可用于含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。053D打印復合材料PARTFIVE粉末狀塑料通常通過激光燒結或復合多種材料進行增強改性，如添加玻璃纖維的尼龍粉、:添加碳纖維的尼龍粉、尼龍與聚醚酮混合等。為了實現(xiàn)塑料的流動改性，可以參考利用潤滑劑等進行改性。但由于使用過多的潤滑劑會導致?lián)]發(fā)性增強，削弱制品的剛性和強度，因此通過加入高剛性、高流動性的球形的硫酸鋇、玻璃微珠等無機材料可以彌補塑料流動性差的缺陷。對粉末塑料可采用粉體表面包覆片狀無機粉體(如滑石粉、云母粉等)以增加流動性。另外，可在塑料合成時直接形成微球以確保流動性

3D打印技術的快速發(fā)展，促使打印材料由單一向多元化發(fā)展。復合材料在性能上可取長補短，并產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料。2.53D打印復合材料高分子粉末復合材料12.53D打印復合材料纖維增強復合材料2纖維增強復合材料包括碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維、連續(xù)銅線、連續(xù)光纖、鎳鉻合金線和碳化硅等。1.玻璃纖維玻璃纖維是最早開發(fā)出來的用于高分子基復合材料的纖維。玻璃纖維由二氧化硅和A1Ca、B等元素的氧化物及少量的加工助劑(氧化和氧化)等原料經(jīng)熔煉成玻璃球，然后在堆場內(nèi)將玻璃球熔融拉絲而成。2.