絕對干貨！,！南極熊盤點(diǎn)3D打印材料（聚合物材料）

由于3D打印制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)制造工業(yè)的方式和原理,，是對傳統(tǒng)制造模式的一種補(bǔ)充。同時(shí)3D打印材料成為限制3D打印發(fā)展的主要瓶頸,，也是3D打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)所在,，只有進(jìn)行更多新材料的開發(fā)才能拓展3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前,，3D打印材料主要包括聚合物材料,、金屬材料、陶瓷材料和復(fù)合材料等

3D打印無人機(jī)（工程材料）

常言道：“巧婦難為無米之炊,�,！睂τ�3D打印這樣一種高科技也是同樣道理。一定程度上,，打印材料是打印技術(shù)不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ),，決定了最終的成品屬性。
在南極熊看來,，3D打印制造技術(shù)主要由3個(gè)關(guān)鍵要素組成：
1.產(chǎn)品需要進(jìn)行精準(zhǔn)的三維設(shè)計(jì),，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工具對產(chǎn)品全方位精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)；
2.是需要強(qiáng)大的成型設(shè)備,；
3.是需要滿足制品性能和成型工藝的材料,。

3D打印鉑金首飾（項(xiàng)鏈）

我們上面說的3D打印（增材）是相對于減材成型來講的,，減材成型指的是運(yùn)用分離技術(shù)把多余的材料有序地從基體上剔除出去,，如傳統(tǒng)的車,、銑、磨,、鉆,、刨、電火花和激光切割都屬于減材成型,。

數(shù)控車床加工零部件

傳統(tǒng)成型工藝激光切割,，造成材料的浪費(fèi)

受壓成型指的是主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，傳統(tǒng)的鍛壓,、鑄造,、粉末冶金等技術(shù)都屬于受壓成型。受壓成型多用于毛坯階段的模型制作,，也有直接用于手工件成型的例子,，如精密鑄造、精密鍛造等凈成型都屬于受壓成型,。

3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材制造技術(shù),，從成型工藝上來看，3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法限制,，通過快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型相結(jié)合,，無需任何附加的工藝模具制造和機(jī)械加工就能制造出各種形狀復(fù)雜的原型，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短,，生產(chǎn)成本大幅下降,。

世界首家3D打印汽車，飛利浦3D打印剃須刀

3D打印自動(dòng)步槍,，甲骨文3D打印復(fù)制品

3D打印技術(shù)真正的核心在于其打印材料,，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應(yīng)用,。3D打印可以很好應(yīng)用塑料與金屬材料的機(jī)械性能，然而這也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的一大技術(shù)原因,。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,。

下面南極熊將從聚合物材材料進(jìn)行分析,，簡要介紹當(dāng)前3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題,。

3D打印 聚合物材料（工程塑料）在航天方面的應(yīng)用

3D打印無人機(jī)

3D打印無人機(jī)所用聚合物材料

1、工程塑料
工程塑料,，指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料,，具有強(qiáng)度高,、耐沖擊性,、耐熱性、硬度高以及抗老化性等優(yōu)點(diǎn),，正常變形溫度可以超過90℃,，可進(jìn)行機(jī)械加工、噴漆以及電鍍,。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料,，常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）,、 聚碳酸酯（PC）,、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等,。

（1）ABS材料
ABS材料具有良好的熱熔性和沖擊強(qiáng)度,，是熔融沉積成型3D打印工藝的首選工程塑料，目前主要是將ABS預(yù)制成絲,、粉末化后使用,，應(yīng)用范圍幾乎涵蓋所有日用品、工程用品和部分機(jī)械用品,。ABS材料的顏色種類很多,，如象牙白、白色,、黑色,、深灰色、紅色,、藍(lán)色,、玫瑰紅色等，在汽車,、家電,、電子消費(fèi)品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。近年來ABS不但在應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大,，而且性能不斷提升,，借助ABS強(qiáng)大的粘接性、強(qiáng)度通過對ABS的改性,，使其作為3D打印材料在更廣范圍得到應(yīng)用,。

ABS材料

使用ABS耗材打印的齒輪

2014年,，國際空間站用ABS塑料3D打印機(jī)為其打印零部件，世界上最大的3D打印機(jī)材料公司Stratasys公司研發(fā)的最新ABS材料ABS-M30,，專為3D打印制造設(shè)計(jì),，機(jī)械性能比傳統(tǒng)的ABS材料提高了67%，從而擴(kuò)大了ABS的應(yīng)用范圍,。

（2）PA材料
PA材料雖然強(qiáng)度高,，但也具備一定的柔韌性，因此,，可以直接利用3D打印制造設(shè)備零件,。利用3D打印制造的PA碳纖維復(fù)合塑料樹脂零件，具有很高的韌度,，可用于機(jī)械工具代替金屬工具,。全球著名PA工程塑料的專家索爾維公司，基于PA的工程塑料進(jìn)行3D打印樣件,，用于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零件,、門把手套件、剎車踏板等,。用PA材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料,，最終解決了汽車輕量化問題。

PA粉末及其復(fù)合材料

PA材料的釣魚線

PA材料廣泛應(yīng)用于制造燃料濾網(wǎng),、燃料過濾器,、罐、捕集器,、儲(chǔ)油槽,、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋罩、散熱器水缸,、平衡旋轉(zhuǎn)軸齒輪,。也可用在汽車的電器配件、接線柱以及用于制作一次性打火機(jī)體,、堿性干電池襯墊,，摩托車駕駛員的頭盔，辦公機(jī)器外殼等,。另外,，它還可用作驅(qū)動(dòng)、控制部件等,。

（3）PC材料

高透明PC材料陽光板

3D打印吹塑成型模具

PC（聚碳酸酯）材料算得上是一種真正的熱塑性材料,，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊,、抗彎曲等特點(diǎn),，強(qiáng)度比ABS材料還要高60%，可以作為最終零部件使用甚至超強(qiáng)工程制品的應(yīng)用,。德國拜耳公司開發(fā)的PC2605可用于防彈玻璃,、樹脂鏡片、車頭燈罩,、宇航員頭盔面罩,、智能手機(jī)的機(jī)身、機(jī)械齒輪等異型構(gòu)件的3D打印制造,。

醫(yī)療級PC料制作成的注射器

PC工程塑料的三大應(yīng)用領(lǐng)域是玻璃裝配業(yè),、汽車工業(yè)和電子,、電器工業(yè),，其次還有工業(yè)機(jī)械零件、光盤,、包裝,、計(jì)算機(jī)等辦公室設(shè)備、醫(yī)療及保健,、薄膜,、休閑和防護(hù)器材等。PC可用作門窗玻璃,，PC層壓板廣泛用于銀行,、使館、拘留所和公共場所的防護(hù)窗,，用于飛機(jī)艙罩,，照明設(shè)備、工業(yè)安全檔板和防彈玻璃,。

（4）PPSF材料
PPSF材料是所有熱塑性材料里面強(qiáng)度最高,，耐熱性最好，抗腐蝕性最高的材料,。廣泛用于航空航天,，交通工具及醫(yī)療行業(yè)。通常作為最終零部件使用,。

PPSF材料制作外殼

PPSF具有最高的耐熱性,、強(qiáng)韌性以及耐化學(xué)品性，在各種快速成型工程塑料之中性能最佳,，通過碳纖維,、石墨的復(fù)合處理，PPSF材料能夠表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度,，可用于3D打印制造該承受負(fù)荷的制品,，成為替代金屬,、陶瓷的首選材料。

（5）PEEK材料
PEEK（聚醚醚酮）是一種具有耐高溫,、自潤滑,、易加工和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異性能的特種工程塑料，可制造加工成各種機(jī)械零部件,，如汽車齒輪,、油篩、換檔啟動(dòng)盤,；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,、自動(dòng)洗衣機(jī)轉(zhuǎn)輪、醫(yī)療器械零部件等,。

PEEK材料適合制造人體植入物

PEEK具有優(yōu)異的耐磨性,、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性以及楊氏模量最接近人骨等優(yōu)點(diǎn),，是理想的人工骨替換材料,，適合長期植入人體�,；�于熔融沉積成型原理的3D打印技術(shù)安全方便,、無需使用激光器、后處理簡單,，通過與PEEK材料結(jié)合制造仿生人工骨,。

（6）EP材料

使用EP材料打印的鞋子手機(jī)殼

EP（Elasto Plastic）即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料,，它能避免用ABS打印的穿戴物品或者可變形類產(chǎn)品存在的脆弱性問題,。EP材料非常柔軟，在進(jìn)行塑形時(shí),，跟ABS一樣采用“逐層燒結(jié)”原理,，但打印的產(chǎn)品彈性卻相當(dāng)好，變形后也容易復(fù)原,。這種材料可用于制作像3D打印鞋,、手機(jī)殼和3D打印衣物等產(chǎn)品。

（7）Ender材料

Ender材料是Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料,，它是一種先進(jìn)的防聚丙烯材料,，可滿足各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Endur材料具有高強(qiáng)度,、柔韌度好和耐高溫性能,，用其打印的產(chǎn)品表面質(zhì)量佳，且尺寸穩(wěn)定性好，不易收縮,。Endur具有出色的仿聚丙烯性能,，能夠用于打印運(yùn)動(dòng)部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器,。

3D打印的Endur筆筒

（8）PVA(聚乙烯醇)
　　PVA或聚乙烯醇是一種可生物降解的合成聚合物,，它最大的特點(diǎn)就是它的水溶性。

　　作為一種應(yīng)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(jié)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清除,。全球打印耗材知名生產(chǎn)商易生(Esun)已推出的PVC水溶性支撐材料在國內(nèi)乃至國際都獲得一致好評。在打印過程中,，其與PLA耗材的配合堪稱完美,。


2.生物塑料

3D打印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯（PETG）,、聚-羥基丁酸酯（PHB）,、 聚-羥基戊酸酯（PHBV）,、聚丁二酸-丁二醇酯 （PBS）,、聚己內(nèi)酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性,。

（1）PLA材料
PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸,，可能是3D打印起初使用得最好的原材料，具有多種半透明色和光澤感,。作為一種環(huán)境友好型塑料,，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它是從玉米淀粉和甘蔗中提取的,，而不是化石燃料,。新加坡南洋理工大學(xué)的Tan.K.H等在應(yīng)用PLA制造組織工程支架方面的研究中，采用可降解高分子材料制造了高孔隙度的PLA組織工程支架,，通過對該支架進(jìn)行組織分析,，發(fā)現(xiàn)其具有生長能力。

PLA材料

PLA材料打印的物體

PLA（聚乳酸）是一種新型的生物基及可生物降解材料,，其具有良好的生物可降解性,，使用后能被自然界中微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水,，不污染環(huán)境,，這對保護(hù)環(huán)境非常有利，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。

（2）PETG材料
PETG材料是一種透明塑料,，是一種非晶型共聚酯,，具有較好的粘性、透明度,、顏色,、耐化學(xué)藥劑、和抗應(yīng)力白化能力,�,？珊芸鞜岢尚突驍D出吹塑成型。粘度比丙烯酸(亞克力)好,。其制品高度透明,，抗沖擊性能優(yōu)異，特別適宜成型厚壁透明制品,�,？梢詮V泛應(yīng)用于板片材、高性能收縮膜,、瓶用及異型材等市場,。

PETG材料

PETG是采用甘蔗乙烯生產(chǎn)的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。這種材料具有較好的熱成型,、堅(jiān)韌性和耐候性,，熱成型周期短、溫度低,、成品率高,。PETG作為一種新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的優(yōu)點(diǎn),。在3D打印時(shí),，材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性,，無需在密閉空間里貯存,。由于PETG的收縮率低、溫度低,，在打印過程中幾乎沒有氣味,，使得PETG在3D打印領(lǐng)域產(chǎn)品具有更為廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

PETG材料的化妝品瓶和瓶蓋,，具有玻璃一樣的透明度

顏色亮麗的PETG打印外殼

PETG線材打印出來的產(chǎn)品輕巧,，沒有任何的厚重感。PETG線材本身就有很好的延展性,，而且它在抗沖擊性方面也是不錯(cuò)的,。也能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺(tái)上,，具有優(yōu)異的層粘合。當(dāng)然,，還具有優(yōu)良的美學(xué)品質(zhì),，因?yàn)樗�在打印時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種亞光效果的光澤。與其它傳統(tǒng)的ABS相比,，這種PETG線材提供了更為優(yōu)異的抗壓性,。而且打印出來的產(chǎn)品不用擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)裂開這種問題，打印過程也無需擔(dān)心會(huì)產(chǎn)生異味,。不過需要提醒的是,，這種PETG線材不易于去除支撐，打印大面積產(chǎn)品的話也是容易起翹的,。

（3）PCL材料
PCL（聚己內(nèi)酯）具有良好的生物降解性,、生物相容性和無毒性，而被廣泛用作醫(yī)用生物降解材料及藥物控制釋放體系,，可運(yùn)用于組織工程已經(jīng)作為藥物緩釋系統(tǒng),。

利用PCL材料打印的玩具

PCL材料是一種可降解聚酯，熔點(diǎn)較低,，只有60℃左右,，與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備,、縫合劑等,，同時(shí)，PCL還具有形狀記憶性,。在3D打印中,，由于它熔點(diǎn)低，所以并不需要很高的打印溫度,，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，可用來打印心臟支架等,。

3D打印PCL材料支架

在3D打印中，PCL主要用于FDM打印機(jī),。由于它熔點(diǎn)低,，所以并不需要很高的打印溫度。同時(shí),，也由于熔點(diǎn)低使得它可以有效避免人員操作時(shí)的燙傷,。目前正在著力研究PCL熔點(diǎn)低的優(yōu)異特性，并且希望借助這種特性制造出兒童打印機(jī),。另外,，因?yàn)槠渚哂行螤钣洃浀奶匦�,，它使得打印出來的東西具有“記憶”，在特定條件下,，可以使其恢復(fù)到原先設(shè)定的形狀,。

PCL材料可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在3D打印中,，同樣可以用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，比如把它用來打印心臟支架，業(yè)內(nèi)人士也在探索其更多的可能性,。

（4）PHA材料
　　PHA(聚羥基脂肪酸酯)是一種以植物為原料的生物基材料,，這種生物基材料具有可降解的特性。由于它無毒無害,，目前它常常被用來制作醫(yī)學(xué)器具,、食品包裝袋、兒童玩具,、電子產(chǎn)品外殼等,。

PHA線材

　　回收時(shí)，由于它的可生物降解性,，我們只需要像掩埋食品垃圾一樣將其掩埋,，它便可在土壤中自然降解。不僅如此,，它在淡水和鹽水中也能像在土壤中安靜降解,，并且不會(huì)留下任何顆粒物。
　　使用PHAbulous Philaments 線材,，用戶就再也不用擔(dān)心自己打印壞了的3D物品可能會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響,，您只需將它埋在自家后院，60天內(nèi)它就能完全生物降解,，甚至?xí)�起到堆肥的作��,，讓您的花園土壤更加肥沃。另外,，PHA在海洋中也很容易生物降解,。




3.光敏樹脂
光固化樹脂又稱光敏樹脂，是一種受光線照射后,能在較短的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化,，進(jìn)而交聯(lián)固化的低聚物,。光固化復(fù)合樹脂是目前口腔科常用的充填、修復(fù)材料,，由于它的色澤美觀,，具有一定的的抗壓強(qiáng)度，因此在臨床應(yīng)用中起著重要的作用,，用于前牙各類缺損及窩洞修復(fù)能取得滿意的效果,。

光敏樹脂材料的牙齒

光敏樹脂材料打印出來的物體呈現(xiàn)出半透明磨砂狀態(tài)

3D打印散熱器風(fēng)扇和耳塞套

光敏樹脂是由聚合物單體與預(yù)聚體組由于具有良好的液體流動(dòng)性和瞬間光固化特征,，使得液態(tài)光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂固化速度快,、表干性能優(yōu)異,，成型后產(chǎn)品外觀平滑，可呈現(xiàn)透明或半透明磨砂狀態(tài),。光敏樹脂具有氣味低,、刺激性成分低等特征，非常適合個(gè)人桌面3D打印系統(tǒng),。

4.高分子凝膠

海藻也可作為3D打印材料

網(wǎng)狀高分子凝膠制品：水凝膠降溫貼

高分子凝膠具有良好的智能性,，海藻酸鈉、纖維素,、動(dòng)植物膠,、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3D打印,，在一定的溫度及引發(fā)劑,、交聯(lián)劑的作用下進(jìn)行聚合后，形成特殊的網(wǎng)狀高分子凝膠制品,。如受離子強(qiáng)度,、溫度、電場和化學(xué)物質(zhì)變化時(shí),，凝膠的體積也會(huì)相應(yīng)地變化,，用于形狀記憶材料。凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉(zhuǎn)變,，用于傳感材料,；凝膠網(wǎng)孔的可控性，可用于智能藥物釋放材料,。