3D打印材料及其應用概述(3)

水凝膠是一種具有交聯(lián)三維網(wǎng)絡的高分子結構,，能夠吸收并保持大量的水分（可達99%）,。根據(jù)聚合物來源的不同,，可分為天然水凝膠與合成水凝膠,。前者如明膠,、瓊脂、海藻酸鈉等具有較高的溶脹性,，機械性能相對較差,，限制了其應用范圍。后者由于水凝膠的成分,、結構、交聯(lián)度可調,，使得合成水凝膠的各項性能可以在較大范圍內進行調控,；同時，合成水凝膠重復性好,，能夠進行大規(guī)模的生產制造,，因此得到國內外研究人員的廣泛關注。
傳統(tǒng)的水凝膠已經(jīng)在制造隱形眼鏡,、創(chuàng)傷修復中取得了較多的應用,。水凝膠作為組織工程的理想材料,，在該領域的應用前景十分廣闊。除此之外,，水凝膠還可以作為傳感器的材料,，這是利用了它的膨脹行為和擴散系數(shù)隨著周圍環(huán)境變化的特性。傳統(tǒng)水凝膠成形主要依靠模具,，沒有辦法制造復雜結構,；采用3D 打印技術成形水凝膠，不僅能夠實現(xiàn)復雜形狀的制造,，還能實現(xiàn)復雜孔隙甚至梯度結構的制造,，使得3D打印的水凝膠具有傳統(tǒng)制造方式?jīng)]有辦法得到的性能。除此之外,，水凝膠中可以加入活細胞,，使得3D打印人體器官成為可能。
水凝膠的3D打印方法包括光固化成形及直寫成形（Direct Ink Writing,，DIW）,。用于光固化成形的水凝膠成分與光敏樹脂類似，包括溶劑,、單體,、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑等,，可以添加無機填料以實現(xiàn)水凝膠性能的調控,。直寫成形是3D打印水凝膠更普及的一種形式。打印時將水凝膠置于注射器中,，采用電腦根據(jù)設計的結構控制注射器運動及擠出,，擠出的水凝膠在外界條件的刺激（溫度、水分,、pH,、光照等）下固化。為了滿足3D打印的要求,，通常要求水凝膠的固化速度足夠快,，或者流變性能滿足在打印時不發(fā)生變形，才能實現(xiàn)成功的打印,。目前,，商業(yè)化的水凝膠打印材料較少，大多數(shù)都處于實驗室研制階段,。
3,、3D打印用金屬材料
根據(jù)2018 年的Wohlers Report 報道，金屬3D打印產業(yè)有了明顯發(fā)展,。文中指出,，2017 年售出1768 套金屬3D 打印設備,，相比2016 年的983 套增長了將近80%。作為3D打印中非常重要的材料,，金屬材料在汽車,、模具、能源,、航空航天,、生物醫(yī)療等行業(yè)中都有廣闊的應用前景。
3D 打印金屬材料主要有粉末形式和絲材形式,。粉末材料是最常用的材料,，可用于激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）,、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping,，LENS）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting,，EBM）等多種3D打印工藝,；絲材則適合于電弧3D打印（Wire and Arc Additive Manufacture,，WAAM）等工藝,。
為了滿足3D 打印的工藝需求，金屬粉末必需滿足一定的要求,。粉末的流動性是粉末的重要特性之一,，所有使用金屬粉末作為耗材的3D打印工藝在制造過程中均涉及粉末的流動，金屬粉末的流動性直接影響到SLM,、EBM 中的鋪粉均勻性和LENS 中的送粉穩(wěn)定性,，若流動性太差會造成打印精度降低甚至打印失敗。粉末的流動性受粉末粒徑,、粒徑分布,、粉末形狀、所吸收的水分等多方面的影響,，一般為了保證粉末的流動性,，要求粉末是球形或近球形，粒徑在十幾微米到一百微米之間,，過小的粒徑容易造成粉體的團聚,，而過大的粒徑會導致打印精度的降低。除此之外,，為了得到更致密的部件，一般希望粉體的松裝比重越高越好,，采用級配粉末比采用單一粒徑分布的粉末更容易得到高的松裝比重,。目前3D打印所使用的金屬粉末的制備方法主要是霧化法,。霧化法主要包括水霧化法和氣霧化法兩種，氣霧化制備的粉末相比于水霧化粉末純度高,、氧含量低,、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高,，是高性能及特種合金粉末制備技術的主要發(fā)展方向,。
3D 打印所使用的金屬線材材與傳統(tǒng)的焊絲相同，理論上凡能在工藝條件下熔化的金屬都可作為3D 打印的材料,。絲材制造的工藝很成熟,，材料成本相比粉材要低大量。
按照材料種類劃分,，3D打印金屬材料可以分為鐵基合金,、鈦及鈦基合金、鎳基合金,、鈷鉻合金,、鋁合金、銅合金及貴金屬等,。
鐵基合金是3D 打印金屬材料中研究較早,、較深入的一類合金，較常用的鐵基合金有工具鋼,、316L 不銹鋼,、M2 高速鋼、H13 模具鋼和15-5PH 馬氏體時效鋼等,。鐵基合金使用成本較低,、硬度高、韌性好,，同時具有良好的機械加工性,，特別適合于模具制造。3D打印隨形水道模具是鐵基合金的一大應用,，傳統(tǒng)工藝異形水道難以加工,，而3D打印可以控制冷卻流道的布置與型腔的幾何形狀基本一致，能提高溫度場的均勻性,，有效降低產品缺陷并提高模具壽命,。
鈦及鈦合金以其顯著的比強度高、耐熱性好,、耐腐蝕,、生物相容性好等特點，成為醫(yī)療器具,、化工設備,、航空航天及運動器材等領域的理想材料,。然而鈦合金屬于典型的難加工材料，加工時應力大,、溫度高,，刀具磨損嚴重，限制了鈦合金的廣泛應用,。而3D打印技術特別適合鈦及鈦合金的制造,，一是3D打印時處于保護氣氛環(huán)境中，鈦不易與氧,、氮等元素發(fā)生反應,，微區(qū)局部的快速加熱冷卻也限制了合金元素的揮發(fā)；二是無需切削加工便能制造復雜的形狀,，且基于粉材或絲材材料利用率高,，不會造成原材料的浪費，大大降低了制造成本,。目前3D打印鈦及鈦合金的種類有純Ti,、Ti6A14V（TC4）和Ti6A17Nb，可廣泛應用于航空航天部件及人工植入體（如骨骼,，牙齒等）,。
鎳基合金是一類發(fā)展最快、應用最廣的高溫合金,，其在650～1000°C 高溫下有較高的強度和一定的抗氧化腐蝕能力,，廣泛用于航空航天、石油化工,、船舶,、能源等領域。例如,，鎳基高溫合金可以用在航空引擎的渦輪葉片與渦輪盤,。常用的3D打印鎳基合金牌號有Inconel 625、Inconel718及Inconel 939等,。
鈷基合金也可作為高溫合金使用,，但因資源缺乏，發(fā)展受限,。由于鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性,，目前多作為醫(yī)用材料使用，用于牙科植入體和骨科植入體的制造,。目前常用的3D 打印鈷基合金牌號有Co 212,、Co 452、Co 502和CoCr28Mo6等。
鋁合金比重低,，耐腐蝕性能好,，抗疲勞性能較高， 且具有較高的比強度,、比剛度， 是一類理想的輕量化材料,。3D 打印中使用的鋁合金為鑄造鋁合金,， 常用牌號有AlSi10Mg、AlSi7Mg,、AlSi9Cu3 等,。韓國通信衛(wèi)星Koreasat-5A及Koreasat-7 使用了SLM制造的AlSi7Mg輕量化部件，不僅由原來的多個部件合成一個整體制造,，部件重量比原設計降低22%,，制造成本降低30%，生產周期縮短1—2個月,。http://www.ezby3d.com/ 武漢易制科技有限公司官網(wǎng)