3D打印材料及其應(yīng)用概述(3)

水凝膠是一種具有交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)的高分子結(jié)構(gòu)，能夠吸收并保持大量的水分（可達(dá)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(jī)械性能相對較差，限制了其應(yīng)用范圍。后者由于水凝膠的成分、結(jié)構(gòu)、交聯(lián)度可調(diào)，使得合成水凝膠的各項(xiàng)性能可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控；同時，合成水凝膠重復(fù)性好，能夠進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)制造，因此得到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。
傳統(tǒng)的水凝膠已經(jīng)在制造隱形眼鏡、創(chuàng)傷修復(fù)中取得了較多的應(yīng)用。水凝膠作為組織工程的理想材料，在該領(lǐng)域的應(yīng)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(kuò)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(fù)雜結(jié)構(gòu)；采用3D 打印技術(shù)成形水凝膠，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的制造，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜孔隙甚至梯度結(jié)構(gòu)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(xì)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(jī)填料以實(shí)現(xiàn)水凝膠性能的調(diào)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(shè)計的結(jié)構(gòu)控制注射器運(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shè)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(yīng)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�。╓ire 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(tuán)聚，而過大的粒徑會導(dǎo)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(chǎn)成本低以及球形度高，是高性能及特種合金粉末制備技術(shù)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(jī)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(yīng)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(chǎn)品缺陷并提高模具壽命。
鈦及鈦合金以其顯著的比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，成為醫(yī)療器具、化工設(shè)備、航空航天及運(yùn)動器材等領(lǐng)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(yīng)力大、溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，限制了鈦合金的廣泛應(yīng)用。而3D打印技術(shù)特別適合鈦及鈦合金的制造，一是3D打印時處于保護(hù)氣氛環(huán)境中，鈦不易與氧、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，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(fù)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(fèi)，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(yīng)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(yīng)用最廣的高溫合金，其在650～1000°C 高溫下有較高的強(qiáng)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(lǐng)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(qiáng)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(shè)計降低22%，制造成本降低30%，生產(chǎn)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)