3D打印材料：先进增材制造指南

增材制造，通常被称为3D打印，已经彻底改变了全球的产品开发和制造流程。这项技术通过数字设计逐层构建三维物体，提供了无与伦比的设计自由度、缩短了交付周期并实现了定制化生产。释放3D打印全部潜力的关键在于理解各种可用材料及其特定属性。本指南全面概述了先进的3D打印材料及其在全球各行业的应用。

不断扩展的3D打印材料世界

3D打印材料的领域在不断发展，新的材料和配方定期被开发出来。选择正确的材料对于实现最终产品所需的功能和美学特性至关重要。需要考虑的关键因素包括机械强度、耐热性、耐化学性、生物相容性和表面光洁度。本节将探讨3D打印材料的主要类别。

聚合物

聚合物是3D打印中使用最广泛的材料，因其多功能性、易于加工和相对较低的成本。它们适用于从原型制作到功能性零件的广泛应用。常见的聚合物3D打印材料包括：

• 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)：一种坚固耐冲击的热塑性塑料，广泛用于需要耐久性的原型和功能性零件。它常用于制造消费品和汽车部件。
• 聚乳酸 (PLA)：一种由玉米淀粉或甘蔗等可再生资源衍生的可生物降解热塑性塑料。PLA易于打印且尺寸精度高，非常适合用于教育、快速原型制作和包装。
• 聚碳酸酯 (PC)：一种高强度、耐热的热塑性塑料，具有出色的光学透明度。PC用于需要高性能的应用，如汽车零件、航空航天部件和防护眼镜。
• 尼龙 (聚酰胺)：一种坚固、柔韧且耐磨的热塑性塑料，具有良好的耐化学性。尼龙适用于制造功能性零件、齿轮和铰链。
• 热塑性聚氨酯 (TPU)：一种柔性、弹性的热塑性塑料，具有出色的耐磨性和抗冲击强度。TPU用于需要柔韧性和耐久性的应用，如鞋底、密封件和垫圈。
• 聚醚醚酮 (PEEK)：一种具有优异耐热和耐化学性的高性能热塑性塑料。PEEK用于要求苛刻的应用，如航空航天部件、医疗植入物和化学加工设备。值得注意的是，由于其生物相容性，PEEK在欧洲和北美被频繁用于医疗器械制造。
• 聚丙烯 (PP)：一种用途广泛的热塑性塑料，具有良好的耐化学性和低密度。PP用于各种应用，包括包装、汽车零件和消费品。
• 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯 (ASA)：ABS的替代品，具有更好的抗紫外线性和耐候性。ASA适用于户外应用和需要长期暴露在阳光下的零件。

金属

金属3D打印，也称为金属增材制造 (MAM)，近年来获得了显著的发展，能够制造出具有高强度、耐久性和功能特性的复杂金属零件。它正在改变航空航天、汽车和医疗等行业。常见的金属3D打印材料包括：

• 不锈钢：一种用途广泛且耐腐蚀的合金，广泛应用于各个行业。不锈钢适用于制造功能性零件、工装和医疗植入物。
• 铝：一种轻质高强的金属，具有良好的导热性。铝用于航空航天、汽车和其他对重量有严格要求的应用。
• 钛：一种高强度、轻质且生物相容的金属，具有优异的耐腐蚀性。钛广泛用于航空航天、医疗植入物和高性能汽车部件。
• 镍合金 (Inconel)：具有卓越耐热性、耐腐蚀性和高温强度的高性能合金。Inconel用于航空航天、发电和化学加工行业。
• 钴铬合金：具有高强度、耐磨性和耐腐蚀性的生物相容性合金。钴铬合金常用于医疗植入物和牙科修复体。
• 工具钢：用于制造工装、模具和冲模的高硬度、耐磨损钢材。工具钢对于注塑和压铸等制造过程至关重要。
• 铜合金：具有高导电性和导热性的金属，适用于制造散热器、电连接器和其他电子元件。

陶瓷

陶瓷3D打印能够制造具有高强度、耐热性和化学惰性的复杂陶瓷零件。这些材料越来越多地用于航空航天、医疗和工业应用。常见的陶瓷3D打印材料包括：

• 氧化铝：一种坚硬、耐磨且电绝缘的陶瓷材料。氧化铝用于电绝缘体、耐磨零件和生物医学植入物。
• 氧化锆：一种高强度、高韧性且生物相容的陶瓷材料。氧化锆用于牙科植入物、生物医学植入物和高温应用。
• 碳化硅：一种非常坚硬且耐高温的陶瓷材料。碳化硅用于高性能制动器、耐磨零件和半导体元件。
• 羟基磷灰石：一种与骨骼矿物成分相似的生物相容性陶瓷材料。羟基磷灰石用于骨支架和生物医学植入物。

复合材料

复合材料将两种或多种不同材料结合起来，以获得单一材料无法达到的增强性能。复合材料3D打印可以制造具有定制机械性能（如高强度重量比和刚度）的零件。常见的复合材料3D打印材料包括：

• 碳纤维增强聚合物：用碳纤维增强的聚合物，以增加强度、刚度和尺寸稳定性。这些复合材料用于航空航天、汽车和体育用品行业。例如，轻型无人机部件通常使用碳纤维增强聚合物制造。
• 玻璃纤维增强聚合物：用玻璃纤维增强的聚合物，以提高强度、刚度和尺寸稳定性。这些复合材料用于汽车零件、船舶结构和消费品。
• 陶瓷基复合材料 (CMCs)：用纤维或颗粒增强的陶瓷材料，以提高韧性和抗裂纹扩展能力。CMCs用于高温应用，如航空发动机部件和热保护系统。

3D打印技术和材料兼容性

3D打印技术的选择与可加工的材料类型密切相关。不同的技术针对特定材料进行了优化，并提供不同水平的精度、速度和成本效益。以下是常见的3D打印技术及其兼容材料的概述：

• 熔融沉积成型 (FDM)：该技术通过喷嘴挤出熔融的热塑性长丝，逐层构建零件。FDM与多种聚合物兼容，包括ABS、PLA、PC、尼龙、TPU和ASA。它是一种广泛使用且成本效益高的3D打印方法。
• 立体光固化 (SLA)：该技术使用激光逐层固化液态光敏树脂。SLA提供高精度和表面光洁度，适用于制造具有精细细节的复杂零件。
• 选择性激光烧结 (SLS)：该技术使用激光熔合粉末材料，如聚合物、金属、陶瓷或复合材料。SLS可以生产具有复杂几何形状和良好机械性能的零件。
• 选择性激光熔化 (SLM)：与SLS类似，SLM使用激光完全熔化粉末金属材料，从而产生致密且坚固的金属零件。
• 直接金属激光烧结 (DMLS)：另一种金属3D打印工艺，通过激光熔合金属粉末。通常与SLM互换使用，尽管DMLS不会完全熔化粉末。
• 粘合剂喷射 (Binder Jetting)：该技术使用粘合剂将粉末材料（如金属、陶瓷或沙子）粘合在一起。然后对所得零件进行烧结或渗透，以提高其强度和密度。
• 材料喷射 (Material Jetting)：该技术将液态材料（如光敏聚合物或蜡）的液滴喷射到构建平台上，并用紫外光固化。材料喷射可以创建具有不同颜色和属性的多材料零件。
• 数字光处理 (DLP)：与SLA类似，DLP使用投影仪逐层固化液态光敏树脂。与SLA相比，DLP提供更快的打印速度。

材料选择注意事项

选择正确的3D打印材料对于任何增材制造项目的成功都至关重要。需要仔细考虑几个因素。否则可能导致零件不符合性能要求或根本无法使用。

• 应用要求：明确零件的功能和美学要求，包括机械强度、耐热性、耐化学性、生物相容性和表面光洁度。
• 材料属性：研究不同3D打印材料的属性，并选择最符合应用要求的材料。查阅材料数据表，并考虑拉伸强度、断裂伸长率、弯曲模量和冲击强度等因素。
• 打印技术：选择与所选材料兼容并能达到所需精度和表面光洁度水平的3D打印技术。
• 成本考虑：评估材料、打印过程和后处理要求的成本。考虑所选材料和技术的整体成本效益。
• 环境因素：考虑材料对环境的影响，包括其可回收性、可生物降解性以及打印过程中的潜在排放。尽可能选择可持续的材料和打印工艺。
• 后处理要求：了解所选材料和技术所需的后处理步骤，如支撑去除、表面处理和热处理。将与后处理相关的成本和时间考虑在内。
• 法规遵从性：确保所选材料和打印过程符合相关法规和标准，特别是在航空航天、医疗和食品包装等受监管行业中的应用。

先进3D打印材料的应用

先进的3D打印材料正在改变全球各行各业，推动创新产品和解决方案的诞生。以下是其应用的一些示例：

• 航空航天：由钛、镍合金和碳纤维复合材料制成的轻质高强度部件，如涡轮叶片、发动机喷嘴和结构件。例如，GE航空在其LEAP发动机中使用3D打印的燃料喷嘴，提高了燃油效率并减少了排放。
• 汽车：由聚合物、金属和复合材料制成的定制汽车零件、工装和夹具。3D打印可实现快速原型制作和轻量化部件的制造，以提高燃油效率和性能。宝马已将3D打印用于其车辆的原型制作和定制零件制造。
• 医疗：由钛、钴铬合金和生物相容性聚合物制成的个性化植入物、手术导板和假肢。3D打印可以制造患者专用的设备，改善贴合度、功能和愈合效果。在欧洲，定制设计的3D打印髋关节植入物越来越普遍。
• 牙科：由陶瓷、聚合物和金属制成的牙冠、牙桥、矫正器和手术导板。3D打印能够制造出精确且定制化的牙科修复体，具有更好的美观性和功能性。
• 消费品：由聚合物、金属和复合材料制成的定制产品，如眼镜、珠宝和鞋类。3D打印实现了大规模定制和独特设计的创造。
• 建筑：由混凝土、聚合物和复合材料制成的3D打印房屋、建筑构件和基础设施元素。3D打印有潜力降低建筑成本、提高效率并创造可持续的建筑解决方案。
• 电子：由聚合物、金属和陶瓷制成的功能原型、定制外壳和印刷电路板 (PCB)。3D打印可实现快速原型制作和复杂电子设备的制造。
• 教育与研究：3D打印被用于教育机构和研究实验室，向学生传授设计、工程和制造知识。它还使研究人员能够创建原型并测试新材料和新工艺。

全球趋势与未来展望

在各行业日益增长的应用以及材料科学和打印技术进步的推动下，3D打印材料市场预计在未来几年将继续快速增长。塑造3D打印材料未来的主要趋势包括：

• 新材料的开发：研发工作的重点是创造具有增强性能的新材料，如更高的强度、耐热性、生物相容性和可持续性。这包括探索新的聚合物配方、金属合金、陶瓷成分和复合材料。
• 多材料打印：在单一过程中用多种材料打印零件的能力正日益受到关注，从而能够创造出具有定制属性和功能的复杂产品。多材料打印为设计和制造开辟了新的可能性。
• 智能材料的集成：将传感器、执行器和其他智能材料集成到3D打印零件中，正在实现智能和功能性设备的创造。这包括在医疗保健、航空航天和消费电子领域的应用。
• 可持续性与可回收性：人们越来越重视开发可持续的3D打印材料和工艺，以最大限度地减少对环境的影响。这包括使用回收材料、开发可生物降解的聚合物以及减少打印过程中的能源消耗。
• 标准化与认证：正在努力为3D打印材料和工艺制定标准和认证计划。这将有助于确保3D打印行业的质量、可靠性和安全性。ASTM International和ISO等组织正在积极参与制定这些标准。
• 向新行业扩张：3D打印正在向食品、时尚和艺术等新行业扩张。这需要开发针对这些行业特定需求的新材料和新工艺。

结论

3D打印材料领域充满活力且不断发展，为全球各行业的创新和颠覆提供了巨大潜力。通过了解不同3D打印材料的属性、能力和应用，制造商、工程师和设计师可以为产品开发、制造和定制化开辟新的可能性。随着新材料和新技术的不断涌现，3D打印将在塑造制造业未来和推动全球经济增长方面发挥越来越重要的作用。

本指南为理解3D打印材料的现状提供了坚实的基础。要充分利用这项变革性技术的全部潜力，紧跟最新进展至关重要。考虑参加行业会议、订阅相关出版物，并与该领域的专家建立联系以保持信息通畅。

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