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  • 3D 打印材料的应用现状和发展趋势

  • 发布时间:2019/3/28 9:25:17 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:1252
  • 内容摘要:3D打印技术是一种增材制造方法,完全改变了传统制造业的的方式和原理,是未来制造行业的核心技术,应用前景广阔。材料是3D打印的物质基础,其性能、种类等因素影响着产品的质量和功能,决定着3D打印技术的应用和发展。
    3D 打印材料的应用现状和发展趋势
    黄宇剑
    (苏州兴业材料科技股份有限公司,江苏 苏州 215151)

    摘要:3D打印技术是一种增材制造方法,完全改变了传统制造业的的方式和原理,是未来制造行业的核心技术,应用前景广阔。材料是3D打印的物质基础,其性能、种类等因素影响着产品的质量和功能,决定着3D打印技术的应用和发展。目前,3D打印不能大面积应用的最重要原因在于各类适用材料不能满足设计要求,打印材料是3D打印产业发展的技术瓶颈。文章综述了国内外3D打印材料的发展现状和应用,并对其发展前景进行分析展望。
    关键词:3D打印技术;材料;发展现状和应用
    1 引言
    近20年来得益于技术革新等硬件基础完善以及互联网“数字模型”软件成熟,3D打印技术(3D-printing)得到迅猛发展,在世界范围内获得极大关注与重视。3D打印技术是一种增材制造方法,其本质电脑软件将物理模型转化为三维立体模型并分成一系列层片,然后由 3D打印机将符合要求的材料逐层叠加,最终堆积成完整三维实体的技术[1]。3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术[2,3]。
    3D打印技术颠覆了传统制造业的“减材制造”理念,促使标准化大规模生产趋向数据化、个性化制造,改变传统制造生产模式,推动从“生产型制造”到“服务型制造”转变的制造业革命。《经济学人》杂志认为 3D 打印正在使传统生产方式和工艺发生深刻变革,是建立在互联网和新材料、新能源结合的第三次工业革命的重要标志 [4]。
    3D打印在高端制造、航空航天、医疗等领域已经有一定应用,展示了广阔的应用前景。随着 3D 打印技术的成熟和市场开拓,市场规模发展很快,应用领域不断扩张。在打印设备基本完备的情况下,上游原材料相对滞后的开发成了阻碍 3D打印技术产业化的重要原因。材料是3D打印技术发展的基础,其性能、种类等因素直接决定着质量和功能。3D打印材料的性能和适用性比传统材料要求更高,最基本要求是可以液化、丝化和粉末化,打印后还可以结合在一起,并能满足一定的强度、刚度、耐潮湿性和热稳定性要求[5]。除此之外,3D打印材料还必须性能稳定、功能丰富、绿色环保。当前3D 打印材料种类偏少、精密度和强度不够, 离工业和民用领域成千上万种需求相差甚远。因此,解决材料的制约是 3D 打印技术发展的核心问题。

    2、国外3D打印材料的应用现状
    欧美等发达国家高度重视 3D 打印技术,纷纷站在 21 世纪制造业竞争的战略高度投入巨资研发,在技术应用和市场推广方面抢占先机[6]。发达国家充分意识到材料的重要性,不约而同地出台政策、投入专项资金进行材料的研发。例如,美国2011 年出台《材料基因组计划》, 次年成立美国国家增材制造创新研究所,投入大量资金研发打印材料。欧洲航天局出台“将3D 打印带入金属时代”计划,重点关注金属打印材料的研发。
    1988 年, 第一台 3D 打印装备 SLA250 由3D Systems 公司在美国生产。作为 3D 打印技术发源地,美国 3D 打印企业众多,已经形成一定规模产业链。领军企业为 3D Systems 和Stratasys 公司,两家企业和德国 EOS 公司占据了全球 3D 打印市场 70% 的份额。这些企业不断加强 3D 材料的研发,不断有新的 3D 打印材料推出。
    目前,能用于 3D 打印的材料主要有金属材料、高分子材料、无机非金属材料。下面对这些材料进行简介。
    2.1 金属
    良好的力学强度和导电性使金属 3D 打印成为最为广阔的潜在市场。3D 打印金属材料需要预先制成专用的金属粉末,要求纯净度高、细球形、粒径分布窄、氧含量低。3D 打印金属材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等。高温合金因其强度高、化学性质稳定已成为航空工业应用的主要 3D 打印材料。空客和波音都用钛合金 3D 打印机用零件,GE 用铝化钛材料 3D 打印出发动机涡轮叶片。不锈钢是最廉价的金属打印材料,常被 3D 打印成功能构件和小型雕刻品等。3D 打印金属粉末价格昂贵, 例如 1kg 钛金属粉末的价格为 200 ~ 400 美元。研究廉价新型 3D 打印金属粉末制备方法是金属 3D 打印市场化应用的关键。
    2.2 高分子材料
    高分子材料是目前 3D 打印中应用最广泛的材料,主要有工程塑料、光敏树脂、橡胶等。工程塑料中 PLA( 聚乳酸 ) 源于玉米淀粉和甘蔗,可生物降解,能避免模型的翘曲变形,具有多种半透明色和光泽质感,是 3D 打印起初使用得最好的原材料。ABS( 丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯 ) 是 3D 打印最常用塑料,强度高于 PLA,柔韧性、机械加工性及抗高温性能好,缺点是打印表面易向上卷曲导致精度障碍。
    Stratasys 公司推出仿聚丙烯材料 Endur,具有高强度、柔韧度好和耐高温性能,尺寸稳定, 表面质量好。而光敏树脂是指由聚合物单体与预聚物组成,并含有光敏剂,在紫外灯光照下能引起聚合固化的树脂。光敏树脂常用的有粉红色铸造专用材质 Somos 19120,半透明材质Somos 11122 以及白色材质 Somos Next。其中Somos Next 性能优异,制作的部件刚性与韧性结合好,尺寸精确,外观漂亮,适用于航空航天、汽车、生活消费品和电子产品领域。2016 年, 又一批 3D 打印材料被研发出来。例如诞生了全球首款 PVC 3D 打印线材 -3D Vinyl,拥有包括较强的紫外线耐受力、抗溶解能力、流动性、热稳定性等全部 PVC 的优点。美国某企业也推出一系列比 PLA 线材轻 30% 的全新打印线材- Promatte,打印出来的模型不需任何后期处理。
    2.3 无机非金属
    3D 无机非金属打印材料主要指陶瓷。陶瓷拥有高强度、高硬度以及耐腐蚀、耐磨损等优点,但是无法轻易制成复杂形状。3D 打印技术恰好能解决这一问题。土耳其伊斯坦布尔的Unfold 设计室科研人员打印出造型各异的日用陶瓷制品,表面上釉并烧制后质量优良 [7]。常用的 3D 打印用陶瓷粉末是陶瓷粉末和粘结剂粉末混合物,采用激光烧结方法打印。激光熔化粘结剂使陶瓷粉末粘结在一起,而后将陶瓷制品烧结处理。这种方法效率较低,而且产品往往有裂痕 [8]。美国 HRL 实验室开发出一种由硅、氮和氧组成的树脂新材料。用这种被称为陶瓷前体的树脂打印各种形状和大小的零件,过火后会转化为高强度、完全致密、耐1700℃高温的陶瓷。此类材料可用于制造喷气发动机和超音速飞机上的大型零件等。
    除了这三类材料,欧美国家在 3D 打印复合材料、生物医学材料研发上取得不俗进展。硅谷 Arevo 实验室研发出高强度碳纤维增强材料,具有出色的耐高温和抗化学性能,可作为航空航天、国防和医疗应用的零部件产品[9]。多种人造血管和人造皮肤已被成功 3D 打印出来 [10]。

    3 国内 3D 打印材料的应用现状
    3D 打印技术在中国也迎来新的发展机遇。我国正处在“中国制造”向“中国智造”转型升级历程,需要发展 3D 打印技术提升竞争力。
    《中国制造2025战略》中多次强调指出要培育 3D 打印产业发展,并将 3D 打印技术列为我国未来智能制造的重点技术来大力扶持。
    尽管我国在 3D 打印取得了一定的成绩, 部分技术甚至处于世界领先水平,但与欧美国家相比仍有一定差距,特别是3D 打印材料方面。目前,我国能生产 3D 打印材料的企业较少,无法实现规模化生产,大部分 3D 打印材料依赖进口,许多 3D 打印材料基本被国外垄断,严重受制于他国。雪上加霜的是国外厂商有意提高价格,例如采取“销售 3D 打印设备搭售粉末材料” 的策略,直接限制了我国 3D 打印产业的发展。主要是科研机构在研发 3D 打印 材料,而由于打印市场还不成熟,企业缺乏研发生产的动力。尽管高校已有一定的 3D 打印材料技术积累, 但是“产学研”脱节而导致无法实现产业化。因此,加大投入和研发,满足我国对 3D 打印材料的供给意义重大。一方面政府要发挥引导调控作用,鼓励吸引更多的企业增大投入到 3D 打印材料研发生产;另一方面,高校和企业要加深“产学研”合作,既要发挥高校的科研优势又要了解市场的需求,更好地使科研成果产业化。

    4 发展前景
    打印材料的稀少和昂贵是影响 3D 打印产业发展最大问题,只有 3D 打印材料种类不断增多,应用领域不断拓宽,成本不断下降,才能打破这个瓶颈。从 3D 打印材料需求品种和规模来看,金属和塑料市场需求最大,2018 年将达到 4 亿美元,其中塑料市场需求将达到 2 亿美元。从应用领域来看,医疗领域市场需求较高,其次是建筑、航空航天、汽车等领域。就目前来说,要突破 3D 打印材料这一瓶颈,一是坚持开发具有潜在市场价值的更为多样 3D 打印材料,二是研究新的制备 3D 打印材料方法来降低成本。虽然目前可应用于 3D 打印材料种类少,大量材料应用潜能急需开发, 各国政府的产业布局和众多企业争相进入意味着 3D 打印将迎来新一轮的技术创新。3D 打印从诞生起就受到不少质疑,富士康公司总裁郭台铭公开表示 3D 打印只是噱头。“所有重要的科技都是在短时间内被过度超热,其功能也被高估,但从长期来看,它们造成的影响却远被低估。”美国《连线》杂志前主编安德森的话或许能给我们启示。我们有理由相信 3D 打印必将应用到各领域的制造业,深刻改变我们的生活。

    参考文献
    [1] 沈仙法 .3D 打印技术:快速成型 [J]. 三江高教 ,2013(2).
    [2] Sachs E, Cima M, Williams P,et al. Three dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model  [J].
    Journal of Engineer for Industry, 1992, 114(4):481-488.
    [3] Lam C X F, Mo X M, Teoh S H, et al. Scaffold development using 3D printing with a starch- based polymer [J]. Materials Science and Engineering: C,2002,20(1/2):49-56.
    [4] The Economist. A third industrial revolution (special report: manufacturing and innovation).
    [5] 佚名.解密 3D 打印 [J]. 工业设计,2013(2):
    15-19.
    [6] 刘光富,张曙。快速成形制造技术的发展与展望[J]. 制造业自动化,2002,24(6):1-4.
    [7] 王超 .3D 打印技术在传统陶瓷领域的应用进展 [J].中国陶瓷,2015,51(12):6-11.
    [8]邓琦林,唐亚新,余承业.陶瓷零件的增材制造技术 [J].机械工程师,1995,29(2):54-56.
    [9] Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube- reinforced high performance materials for 3D printing process.
    [10] 陈硕平 , 易和平 , 罗志虹 , 等 . 高分子 3D 打印材料和打印工艺 [J]. 材料导报 ,2016, 30(7).
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