絕對干貨！！南極熊盤點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)制造模式的一種補充。同時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)鍵點和難點所在，只有進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（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個關(guān)鍵要素組成：
1.產(chǎn)品需要進行精準(zhǔn)的三維設(shè)計，運用計算機輔助設(shè)計（CAD）工具對產(chǎn)品全方位精準(zhǔn)的設(shè)計；
2.是需要強大的成型設(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

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，通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機數(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

3D打印無人機所用聚合物材料

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，具有強度高、耐沖擊性、耐熱性、硬度高以及抗老化性等優(yōu)點，正常變形溫度可以超過90℃，可進行機械加工、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)域逐步擴大，而且性能不斷提升，借助ABS強大的粘接性、強度通過對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打印機為其打印零部件，世界上最大的3D打印機材料公司Stratasys公司研發(fā)的最新ABS材料ABS-M30，專為3D打印制造設(shè)計，機械性能比傳統(tǒng)的ABS材料提高了67%，從而擴大了ABS的應(yīng)用范圍。

（2）PA材料
PA材料雖然強度高，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的工程塑料進行3D打印樣件，用于發(fā)動機周邊零件、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、儲油槽、發(fā)動機汽缸蓋罩、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體、堿性干電池襯墊，摩托車駕駛員的頭盔，辦公機器外殼等。另外，它還可用作驅(qū)動、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，具有高強度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲等特點，強度比ABS材料還要高60%，可以作為最終零部件使用甚至超強工程制品的應(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、智能手機的機身、機械齒輪等異型構(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)機械零件、光盤、包裝、計算機等辦公室設(shè)備、醫(yī)療及保健、薄膜、休閑和防護器材等。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窗，用于飛機艙罩，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、易加工和高機械強度等優(yōu)異性能的特種工程塑料，可制造加工成各種機械零部件，如汽車齒輪、油篩、換檔啟動盤；飛機發(fā)動機零部件、自動洗衣機轉(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，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，在進行塑形時，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，能夠用于打印運動部件、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。在3D打印時，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的。也能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺上，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)，因為它在打印時會產(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)心會出現(xiàn)裂開這種問題，打印過程也無需擔(dān)心會產(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，PCL還具有形狀記憶性。在3D打印中，由于它熔點低，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。由于它熔點低，所以并不需要很高的打印溫度。同時，也由于熔點低使得它可以有效避免人員操作時的燙傷。目前正在著力研究PCL熔點低的優(yōu)異特性，并且希望借助這種特性制造出兒童打印機。另外，因為其具有形狀記憶的特性，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，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)�起到堆肥的作用，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,能在較短的時間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化，進而交聯(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)劑的作用下進行聚合后，形成特殊的網(wǎng)狀高分子凝膠制品。如受離子強度、溫度、電場和化學(xué)物質(zhì)變化時，凝膠的體積也會相應(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。