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七十二般變化 2017年3D列印材料大觀


中關村在線增材製造技術作為全球製造業的新製造方式,從六七年前開始受到大眾的廣泛關注,而且還起了一個很接地氣、形象的名字「D列印」。不過新的製造技術能否普及,還要看材料能否滿足日用需要,比如對塑料的大量應用需求就使得注塑成型工藝很快成熟和普及了。六七年時間過去,...

- 2017年11月10日22時53分
- 科學文摘 / 中關村在線

中關村在線

增材製造技術作為全球製造業的新製造方式,從六七年前開始受到大眾的廣泛關注,而且還起了一個很接地氣、形象的名字「3D列印」。不過新的製造技術能否普及,還要看材料能否滿足日用需要,比如對塑料的大量應用需求就使得注塑成型工藝很快成熟和普及了。六七年時間過去,我們來看看到2017年3D列印材料的種類和變化。

七十二般變化  2017年3D列印材料大觀圖片

七十二般變化 2017年3D列印材料大觀

●3D列印基石 工程塑料

正如傳統加工業,在3D列印領域最基礎、普及最廣的材料也是塑料。從2007年第一台開源的桌面3D印表機RepRap開始,大眾接觸到最多的、桌面型3D列印設備使用最多的材料就是塑料,確切地說是ABS和PLA。

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了解過桌面3D印表機的朋友 對這種耗材不會感到陌生

ABS和PLA塑料都具備很好的熱塑性,因此廣泛用在桌面級和商用級的FDM

3D印表機上,經過加熱熔融後擠出冷卻,來構造三維模型。其實在傳統的注塑成型加工方式中ABS材料應用也非常廣泛,其強度高、韌性好、易加工的特點廣泛用在各種儀器和設備外殼上。PLA材料在強度、韌性上都遜於ABS,不過因為更加環保、可降解、加熱無異味的原因,越來越多地用在桌面型3D印表機上,而且在展示模型結構、構造方面也沒有問題。

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ABS材料常見於儀器、設備外殼

隨著時間的推移,越來越多的熱塑性塑料被試驗用在3D列印設備上,包括PVC、PC、PA尼龍、TPU、PBT等等。而商業實用性的需要則擴展了3D列印塑料材料的性能和種類,在單一塑料材質中加入添加劑、改性劑來實現某一項或幾項物理性質的強化,比如增加強度、耐磨性、剛性等等,使得商用的3D列印製品應用範圍不僅僅局限於模型、原型展示,而是大大拓展,甚至可以直接用作商品的最終零件。

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PolyMaker品牌多款改性3D列印塑料

最前沿的應用例子之一,是Stratasys ULTEM熱塑性塑料用來3D列印地球衛星的天線。ULTEM塑料經過美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室(JPL)的多項測試和認證,能夠耐受極端溫度、紫外線並且在真空環境中耐疲勞、抗衰老,被選作理想的衛星零部件材料並且3D列印製成。其實這也是一種改性的塑料製品。

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ULTEM材料用於地球衛星

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通過NASA JPL實驗室測試和認證

另外一種非常普遍的塑料材料也不得不提——尼龍(PA)。在商用型3D列印設備上尼龍更常見,而且也是一種熱塑性塑料,對FDM 3D印表機和SLS(雷射燒結)3D印表機都有很好的支持。

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用於SLS 3D列印的尼龍粉末

尼龍3D列印製品具備良好的力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐腐蝕性,並且尼龍相對潤滑。傳統熱塑成型工藝尼龍材料用在卡扣、塑料鉚釘、扎帶上,而3D列印的塑形能力再擴展應用,用在模型展示、鞋靴中底、工藝品、備用零件上,甚至柔性的尼龍還用來3D列印服裝面料,在時尚圈也有一席之地。

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極致盛放 尼龍3D列印禮服

目前來看塑料材質在3D列印行業中是最常見、使用最多的一類。

●決定應用上限 金屬和合金

工程塑料材料意味著3D列印技術的普及程度,而金屬和合金材料的應用則決定了3D列印技術的上限,能夠用在特殊的場景或環境中。近兩年,適用3D列印的金屬種類大大豐富,而且最近的科研成果有望加入種類更豐富的合金材料。

2015年到2017年,資本更多地進入到商業級和工業級應用的金屬3D列印行業,隨之而出現了不鏽鋼、鋁、金、銀、鉑金以及黃銅、青銅、鈦合金等多種金屬材料。除了在定製服務商處為普通消費者定製配飾、禮品之外,金屬材料3D列印更尖端的應用在於航空航天、國防軍事、船舶製造、衛星通信方面。

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定製服務商Shapeways支持貴金屬3D列印

英國雷尼紹曾3D列印完整的鈦合金自行車架來展示鈦合金件的輕量化、高強度,優化的中空結構使得3D列印車架重量僅1.4千克。相比碳纖維車架,鈦合金車架有更高的剛度和硬度,在山地車賽中經常出現摔車場景,而鈦合金車架可以保障完好無損。

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雷尼紹3D列印自行車 注意車架整體為鈦合金材質

更進一步,中國國產大飛機C919就採用了3D列印的大型鈦合金構件。而2017年9月份,空中客車公司宣布在量產的A350 XWB客機上使用鈦合金連接件支架,這是首次將金屬3D列印零件應用在量產民航客機上。

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利用3D列印技術製造的國產大飛機C919鈦合金中央翼緣條

同樣是在9月,《Nature》雜誌發表文章,美國科學家在鋁合金材料粉末加入氫化鋯納米粒子並雷射熔融3D列印,得到強度堪比鍛造材料的鋁合金3D列印件,避免了過去合金3D列印因應力而常出現的裂紋。而這項研究的意義在於添加劑同樣適用於多種合金墨粉3D列印,有可能大大拓展3D列印支持的合金材料——傳統加工的合金材料種類有五千多種,這是一個豐富的資源池。

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3D列印技術有望加入種類更多的合金

目前金屬3D列印技術和材料都是資本和行業關注重點,3D列印技術的應用天花板恐怕就靠金屬3D列印來決定了。

●專行專用 光敏樹脂

光敏樹脂由於美國Kickstarter眾籌明星Form 1 3D印表機的緣故,一度與大眾距離非常近,當時桌面型3D列印唯精度論,使用光敏樹脂耗材的Form 1廣受關注。

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3D列印用光敏樹脂

確切地說光敏樹脂是包含光引發劑的混合物,在光照射下由粘稠的液體轉為固體。光敏樹脂特別用在SLA/DLP 3D列印技術上,也用在某些噴射+光照固化技術中,比如Stratasys的PolyJet 3D列印技術。

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應用於SLA/DLP 3D列印的光敏樹脂

因此我們不能說光敏樹脂是某種化學物質,它在不同的配比之後3D列印能夠得到類似ABS、尼龍等工程塑料材質的樣品而物理性能更佳,甚至可以作為試製注塑模具。另外樹脂的性能決定了它的應用方向,石蠟樹脂通常作為珠寶首飾的陰模,用於首飾鑄造;牙科樹脂則用於復原牙床結構,製作義齒。

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石蠟樹脂 列印成型的戒面蠟模

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牙科樹脂復原牙床形狀

美國研究人員更研製出陶瓷性質光敏樹脂,3D列印成品高溫燒制後具備顯著陶瓷特性,能夠耐1700攝氏度高溫、絕緣並且隔熱,有望用在火箭發動機上得到應用。

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耐高溫的3D列印陶瓷

還有很多專用的3D列印材料,包括用於金屬制模的砂石材料,用於全彩人像3D列印的石膏材料,用於建造房屋的混凝土等等。新材料不斷,每一種材料都意味著一個新的應用領域。

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全彩3D列印人像 石膏材質

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3D列印混凝土材料 蓋房子

當然從新材料開發到成熟,再到試用、商用化以及最終大規模量產,需要一個很長的過程,涉及普通消費者的接納程度、健康和安全因素,3D列印新材料和技術的應用推廣還需要幾年時間。我們樂意見到新技術、新材料給生活帶來改變和升級,橡膠、碳纖維、鋰電池無一不是如此。


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