3Ｄ打印，是根據所設（shè）計的3Ｄ模型，通過（guò）3Ｄ打印設備逐層增加材料來製造三維產品的技術。這種（zhǒng）逐層堆積（jī）成形技術（shù）又被稱作（zuò）增材製造（zào）。3Ｄ打印綜合（hé）了數字建模技術、機電控製技術、信（xìn）息技術、材料（liào）科學與化學等（děng）諸多領域的前沿技術，是快速成型技術的一種，被譽為（wéi）“第三次工業革命”的核心技術。

 

 

世界（jiè）首家3D打印汽車生產商LocalMotors（左）飛利浦公司3D打印（yìn）剃須刀（右）

 

 

美國3D打印自動步槍，劍橋（qiáo）大（dà）學甲骨文3D打印複（fù）製品（pǐn）（圖片來源（yuán）：南瓜（guā）網）

 

3D打印製（zhì）造技術主要由3個（gè）關鍵要素組成：

一是（shì）產品需要（yào）進行精（jīng）準的三維設計，運（yùn）用計算機輔助設計（CAD）工具對產品全方位（wèi）精準定位；

 

二是需要強大的成型設備；

 

三是需要（yào）滿足製品性能和成型（xíng）工藝的材料（liào）。

 

由於3D打印製造技術完全改變了傳統製造（zào）工業的方式和原理，是對傳統製造模式的一（yī）種（zhǒng）顛覆，因此（cǐ）3D打印材料成為限製3D打印發（fā）展的主（zhǔ）要瓶頸，也是3D打印突破創新的關鍵點（diǎn）和難點所在，隻有進行更多（duō）新材料的開（kāi）發才能拓展（zhǎn）3D打印技術的應用領域。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金屬（shǔ）材料、陶瓷材料和複合材料等。

 

 

 

3D打印聚合（hé）物

 

 

3D打印（yìn）無人機（圖片（piàn）來源：南瓜網）

 

 

 

1.工（gōng）程塑料

 

 

工程塑料（liào）指被用做工業零件（jiàn）或外殼材（cái）料的工業（yè）用塑料，是強（qiáng）度、耐衝擊性、耐熱性、硬度（dù）及抗老化性均優的塑料。工（gōng）程塑料（liào）是當前應用（yòng）最廣泛的一類3D打（dǎ）印（yìn）材料，常見（jiàn）的有丙烯（xī）腈-丁二烯-苯乙烯共（gòng）聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、 聚碳酸酯（zhǐ）（PC）、聚苯碸(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等。

 

1）ABS

 

ABS材料因具有良好的熱熔性、衝擊強度， 成為通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。 目前主（zhǔ）要（yào）是將ABS預製成絲、粉末化後使用，應用範圍幾乎涵蓋了所（suǒ）有（yǒu）日用品、工程用品和部（bù）分機械（xiè）用品。近年來ABS不但（dàn）在應用領域（yù）逐步擴大，而且性能不斷提升，借助ABS強大的粘接（jiē）性、強度通過對（duì）ABS的改性，使（shǐ）其作為3D打印（yìn）材料在更廣範（fàn）圍得（dé）到應用。

 

2014年國際空間站（zhàn）用ABS塑料3D打印機為其打印零件；世界上最大的3D打（dǎ）印機材料公（gōng）司Stratasys公司研發的最新ABS材料ABS-M30，專為3D打印（yìn）製造設計，機械性能比傳統的ABS材料提高了67%， 從而擴大了ABS的應（yīng）用範圍。

 

 

3D打印的ABS行星齒輪和車（chē）鏈模型（圖片來源：Stratasys）

 

2）PA

 

PA強度高，同時具有一定的柔韌性，因此可直接利用（yòng）3D打印製造設備零部（bù）件。利用3D打（dǎ）印製（zhì）造的PA碳纖維複合塑料樹脂零件強度韌性很高，可用於機械工具代替金屬工具。另外，由於PA的粘接性和粉末特性，可（kě）與陶（táo）瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合，通（tōng）過粘接實現陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3D打印。索爾維公司作為全（quán）球PA工（gōng）程（chéng）塑料的專家，基於PA的（de）工程塑料進行3D打印樣件，用於發動機周邊零件、門把手套（tào）件、刹車踏板等。用工程塑料替代傳（chuán）統（tǒng）的金屬材（cái）料，最終解決了汽車的輕量化問題。

 

3）PC

 

PC具有優異（yì）的強度，其強（qiáng）度比ABS材料高出60%左右，因此適合於超強工程（chéng）製品的應用。索爾維公司作（zuò）為全球PA工程塑料的專家，基於PA的（de）工程塑料進行3D打印（yìn）樣件，用於發動機周（zhōu）邊零件、門把（bǎ）手（shǒu）套件、刹車踏板等。德國拜耳公司（sī）開發的PC2605可用於防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇（yǔ）航員頭盔麵罩（zhào）、智能（néng）手機的機（jī）身、機械齒輪等異型（xíng）構件的3D打印製造。

 

 

3D打印吹塑（sù）成型模具（圖片來源：Stratasys）

 

4）PPFS

 

PPSF具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學品性，在各種（zhǒng）快速成型工（gōng）程塑料材料之中性能（néng）最佳，通過碳纖維、石墨的複合處理（lǐ），PPSF顯示出極高的強度，可（kě）用（yòng）於3D打印製造高承受負荷的製（zhì）品，成為替代金屬（shǔ）、陶瓷（cí）的首選材料。

 

5）PEEK

 

PEEK具有優異的耐磨性（xìng）、生物相容性、化學（xué）穩定性以及楊氏模量最接近（jìn）人骨等優點，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體。基於熔融沉（chén）積成型原（yuán）理的3D打印技術安全方便、無需使用激光器、後處理簡單，通過與PEEK材料結合製造仿生人工骨。

 

6）EP

 

EP（Elasto Plastic）即彈性塑料（liào），是Shapeways公司最新研製（zhì）的一種（zhǒng）3D打印（yìn）原材料，它能夠避（bì）免用ABS打印的穿戴（dài）物品或可變形類產品存在的脆性問題。顧名思義，Elasto Plastic是一種新型柔軟的3D打（dǎ）印（yìn）材料，在進行塑形時和ABS一樣均采用（yòng）“逐層燒結”原理，但打印（yìn）的產品（pǐn）卻具有相當好的彈性，易於恢複形變。這種材料可用於製（zhì）作像3D打（dǎ）印鞋、手機殼和3D打印衣物等產品。

 

 

3D打印的EP鞋和EP機殼

 

7）Endur

 

Stratasys公司（sī）推出一（yī）款全新（xīn）的3D打印材料—Endur，它是一種先（xiān）進的仿聚丙烯材料，可滿足各種不同領（lǐng）域的應（yīng）用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，用其打印的產品表麵質量佳，且尺寸穩定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用於（yú）打印運動部件、咬合齧（niè）合（hé）部件以及（jí）小（xiǎo）型盒子和（hé）容器。

 

 

3D打印的（de）Endur筆筒

 

 

 

 

2.生物塑料

 

 

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

 

 

來源：3D system 公（gōng）司

 

1）PLA

 

PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸（suān）可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多種半透明色和光澤質感（gǎn）。作為一種環境友好型（xíng）塑料，聚乳酸（suān）可生（shēng）物（wù）降解為活性堆肥。它源於可再生資源—玉米澱粉和甘蔗，而不是非可再生資源——化（huà）石燃（rán）料。新加（jiā）坡南洋理工大學的Tan K H等在（zài）應用PLA製（zhì）造組織工程支架方麵的研究中，采用3D技術（shù）成型生物可降解的高分子材料，製造了高孔隙度的PLA組織（zhī）工程支架，通過對該支（zhī）架進行組織分析，發現其具有生長能力。

 

 

3D打印的PLA螺栓和螺母、PLA檸檬榨汁（zhī）機（jī）推杆

 

2）PETG

 

PETG是采用甘蔗乙烯生產的生物基乙二醇為原（yuán）料合成的生物基塑料。具有出（chū）眾的熱成型性、堅韌性與耐候性，熱成型周（zhōu）期短、溫度低、成品率高。PETG作為一（yī）種新型的3D打（dǎ）印材料，兼具PLA和ABS的優點。在3D打印（yìn）時，材料的收縮（suō）率非（fēi）常小，並且具有良（liáng）好的疏水性，無需在密閉空間裏貯存。由於PETG的收（shōu）縮率（lǜ）低（dī）、溫度低，在打印過程中幾乎沒（méi）有氣味，使得PETG在3D打印領域產品具有更為廣闊的開發應用（yòng）前景。

 

3）PCL

 

PCL是一種生物可（kě）降（jiàng）解聚酯，熔點較低，隻有60℃左右。與大部分生物材料一樣，人（rén）們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸（shū）設備、縫合劑等，同時，PCL還具有形（xíng）狀記憶性。在3D打印（yìn）中，由（yóu）於它熔點低，所以並不需要很高的打印溫度，從而達到節（jiē）能的（de）目的。在醫學領域，可用來打印心髒支架等。

 

 

 

3.熱固性塑料

 

 

熱固性樹脂如環氧樹脂（zhī）、不（bú）飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、芳雜環樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用（yòng）3D打（dǎ）印的粉末激光燒（shāo）結成型工藝。哈佛大學工（gōng）程與應用科學院的材（cái）料科學（xué）家（jiā）與Wyss生物工程研究所聯手開發出了一種可3D打印（yìn）的環氧基熱固性樹脂材料（liào），這種（zhǒng）環氧樹脂可3D打印（yìn）成建築結構件（jiàn）用在輕質建築中。

 

 

新加坡將嚐試用3D打（dǎ）印（yìn）技術建造公共住宅（圖片來源：南瓜網）

 

 

 

4.光敏樹脂

 

 

光敏樹脂是（shì）由聚（jù）合物單體與預聚體組成，由於具有（yǒu）良好的液體流動（dòng）性和瞬（shùn）間光固化特性，使得液態光敏（mǐn）樹脂成為3D打印耗材用於高精度製品打印的（de）首選材料。光敏樹脂因具（jù）有較快的固化速度，表幹性能優異，成型後產品外（wài）觀平滑（huá），可呈現透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個人桌麵3D打印係統。

 

 

3D打印散熱器風扇和耳塞套（圖片來源：Stratasys）

 

 

 

5.高分子（zǐ）凝膠

 

 

高分子凝（níng）膠具有良好的（de）智能性，海（hǎi）藻酸（suān）鈉（nà）、纖維（wéi）素、動植物膠、蛋白腖、聚丙烯酸等高分子（zǐ）凝（níng）膠材料用於3D打印，在一定的溫度及引發劑、交聯劑的作用（yòng）下（xià）進行（háng）聚合後，形成特（tè）殊的網狀高分子凝膠製品。如受離子強（qiáng）度、溫度、電場和化學物質變化時，凝膠的體積也會相應地變化，用於形狀記憶材（cái）料；凝膠溶脹或收縮發（fā）生體積轉變（biàn），用於（yú）傳（chuán）感材料；凝膠網孔的可控性，可用於智（zhì）能藥物釋（shì）放材料。

 

 

 

3D打印金屬

 

 

目（mù）前大多數3D打印耗材是塑（sù）料，而金屬良好的力學強度和（hé）導電性使得研究人員對金屬物品的打印極為感興趣。

 

 

3D Systems為GE公司打印的航空金屬構件（左）3D 打印奧斯（sī）卡“小金人”（右）圖片來源（yuán）：3D Systems

 

 

 

1.黑色金（jīn）屬

 

 

1）不鏽鋼

 

不（bú）鏽鋼是最廉價的金屬打印材料，經3D打印（yìn）出的高（gāo）強度不鏽鋼（gāng）製品表麵略顯粗糙，且存在麻（má）點。不鏽（xiù）鋼具有各種不同的光麵和磨（mó）砂麵，常（cháng）被用作珠寶、功能構（gòu）件和小型雕刻品等的3D打印。

 

 

3D打印的不鏽鋼飾物

 

2）高溫合金

 

高溫合金因其強度高、化學性質穩定、不易成型加工和傳統加工工藝成本高等因（yīn）素，目前已成為航空工業應用的主（zhǔ）要3D打印（yìn）材（cái）料。隨著3D 打印技（jì）術的長期研究（jiū）和進一步發展，3D打印製造的飛機（jī）零件因其（qí）加（jiā）工的工時和成本（běn）優勢已得到了廣泛應用。

 

 

美國利用3D打印技術製備的IN718鎳基高溫合金轉子

 

 

 

2.有色金屬

 

 

1）鈦

 

采（cǎi）用3Ｄ打（dǎ）印技術製（zhì）造的鈦合金零部件，強度（dù）非常高，尺寸精確，能製（zhì）作（zuò）的最小尺寸可（kě）達1ｍｍ，而且其零部件機械性能優於鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成（chéng）功（gōng）打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D打印汽車（chē）、航空航天和國（guó）防工業上（shàng）都將有很廣闊的應用前景。

 

 

3D打印的鈦手表和渦輪葉輪

 

2）鎂鋁合金（jīn）

 

鎂鋁合金因其質輕、強度高的優越性能，在製造業的（de）輕量（liàng）化需求中得到了大量應用。在3D打印技術中，它也毫（háo）不例外地成為各大製造商所中意的備選材料。

 

 

日本佳能公司利用3D打印（yìn）技術製造出了頂級單反（fǎn）相機鎂鋁合金特殊曲麵頂蓋

 

3）镓

 

镓(Ga)主要用作液態金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導電性，其黏度（dù）類似於水（shuǐ）。不同於汞(Hg)，镓（jiā）既不含（hán）毒性，也不會蒸發。镓可用（yòng）於柔性和伸縮性的電子產（chǎn）品，液態金屬在可變（biàn）形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上已得到了應用。

 

 

3D打印的液態金屬镓

 

4）镓-銦（yīn）合金

 

北卡羅（luó）琳州立大學化學和生物分子工（gōng）程的副教授Michael Dickey利（lì）用镓（jiā）(Ga)與（yǔ）銦(In)的液態（tài）金（jīn）屬合金通過3D打印技術在室溫下創造了一種三（sān）維的自立式結構，這一奇跡的誕生得益於镓-銦合金在空氣中與氧氣（qì）發生反應形成了一層能夠保持零件形（xíng）狀的氧化膜。這一技術（shù）在（zài）3D打印中（zhōng）被用（yòng）於連接電子部件。

 

 

3D打印的镓-銦液態合金（jīn）

 

5）稀貴金屬

 

3D打印（yìn）的產品在時尚界的（de）影響力越來越大。世界各（gè）地（dì）的珠寶設計師受益最（zuì）大（dà）的似乎就是將3D打印快速原型技（jì）術作為一種強大，且（qiě）可方便替代其他製（zhì）造方式（shì）的創意產業。在（zài）飾品3D打印材料領域，常用的有金、純銀、黃銅（tóng）等。

 

 

3D打印的葉形金戒指、菌絲銀戒指、黃（huáng）銅戒指

 

 

 

陶 瓷

 

 

矽酸鋁陶瓷粉末能夠用於3D打印陶瓷產品。3D打印的（de）該陶瓷製品不透（tòu）水、耐（nài）熱(可達600°C)、可回收、無毒，但（dàn）其強度不高（gāo），可作為理（lǐ）想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭台、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材（cái）料。

 

 

3D打印的陶瓷（cí）牛奶托盤和陶瓷茶杯

 

 

 

複合材（cái）料

 

 

美國矽（guī）穀Arevo實驗室3D打印出了高（gāo）強度碳纖維增（zēng）強（qiáng）複合材料。相比於傳統的擠（jǐ）出或注塑定型方法，3D打印時通過精確控製碳纖維（wéi）的取向，優化（huà）特（tè）定機械、電和熱（rè）性能，能（néng）夠嚴格（gé）設定其綜合性能。由於3D打印（yìn）的複（fù）合材料零件一（yī）次隻能製造一層，每一層可以（yǐ）實現任何所需（xū）的纖維取向。結合增強聚合物材（cái）料打印的複雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學性能（néng）。