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3D打印材料有哪些?3D打印材料简介及其应用指南

【干货】3D打印材料有哪些?3D打印材料简介及其应用指南
 

一. 引言

3D打印是一种快速成型的技术,又称为增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印“几乎可以”打印任何三维物品,但就技术来说,最大的限制还是材料和打印技术的相互匹配:不同的材料需要不同的打印技术匹配来打印。

 

二. 什么是3D 打印材料

3D 打印材料是3D 打印技术重要的物质基础,它的性能在很大程度上决定了它成形部件的综合性能。发展至今,其材料种类已经十分丰富,主要种类包括塑料材料、金属材料、陶瓷材料等。
在3D打印的材料中,塑料材料与金属材料是我们最常用到的材料,但哪款材料才符合你的打印需求呢?我们需要应用什么打印技术来匹配?下面就让我们一起来学习一下吧!

 
三. 塑料材料

1.塑料打印材料的分类:
塑料打印材料可以分为热塑性塑料和热固性塑料

a.热塑性塑料:
热塑性塑料是最常用的塑料型材料,可以加热并成型为我们所需要的形状。这个过程是一个物理变化的过程,分子之间无化学链产生,而且这个过程是可逆的,这也是热塑性塑料能回收或融化再循环利用的原因。
b.热固性塑料
与热塑性材料相比,热固性塑料在第一次加热固化成型后,分子链之间就会形成化学键,成为三度的网状结构,不仅不能再熔触,在溶剂中也不能溶解。固化后会保持永久的固态,而且这个过程是不可逆的!所以不能回收循环利用!
 


四.最常用的塑料材料3D打印工艺

(1)FDM 3D 打印
及其材料

熔融沉积成型技术 (FDM),也称为熔融长丝制造 (FFF),是打印喷头通过加热熔化热塑性丝状材料,然后将其逐层堆积在构建区域上成型。这种技术非常适合制作基本的概念验证模型。但其打印的模型精度和分辨率是最低的,模型表面往往具有可见性的条纹纹理。

 



FDM 3D打印材料为热塑性塑料,通常为 ABS、PLA 及其各种混合物。更先进的 FDM 打印机还可以使用其他特殊材料进行打印,这些材料具有更高的耐热性、抗冲击性、耐化学性和刚性。
 

材料

特征

应用

ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)

坚固耐用
耐热和抗冲击
需要加热床才能打印
需要通风

功能原型

PLA(聚乳酸)

最容易打印的 FDM 材料
坚硬、坚固但易碎
耐热和耐化学品性较差
可生物降解
无味

概念模型
看起来像原型

PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯)

兼容较低的打印温度,可加快生产速度
耐湿和耐化学性
高透明度
可以用于食品安全

防水应用
卡扣组件

尼龙

坚固、耐用且重量轻
坚固且部分柔韧
耐热和抗冲击
在FDM 上打印非常复杂的

功能原型
耐磨零件

TPU(热塑性聚氨酯)

柔韧且可拉伸
抗冲击
出色的减振性能

灵活的原型

PVA(聚乙烯醇)

可溶性支撑材料
溶于水

支撑材料

HIPS(高抗冲聚苯乙烯)

最常与 ABS 材料一起使用的可溶性支撑材料
溶于化学柠檬烯

支撑材料

复合材料(碳纤维、芳纶、玻璃纤维)

刚性、坚固或极其坚固
兼容性仅限于某些昂贵的工业 FDM 3D 打印机

功能原型
夹具、固定装置和工具

 

   

 


(2)SLA 3D打印
及其材料

SLA 打印技术原理是使用紫外(UV)激光束将液体的树脂材料固化成模型,。打印出来的模型具有高分辨率、高精度、高清晰的细节和光滑的表面等特点。

 

SLA 3D打印材料可提供具有广泛光学、机械和热性能的树脂配方,以匹配标准、工程和工业的热塑性塑料。
 

FORMLABS 材料

特征

应用

标准树脂

高分辨率
光滑、无光泽的表面光洁度

概念模型
看起来像原型

透明树脂

唯一真正透明的塑料 3D 打印材料
抛光至接近光学透明度

需要透光的部件
Millifluidics

草稿树脂

最快的 3D 打印材料之一,
比标准树脂快 4 倍,比 FDM 快 10 倍

初始原型
快速迭代

坚韧耐用的树脂

坚固、坚固、功能性和动态的材料
可以承受压缩、拉伸、弯曲和冲击而不断裂
各种具有类似于 ABS 或 PE 特性的材料

外壳和外壳
夹具和固定装置
连接器
磨损原型

刚性树脂

高度填充、坚固且坚硬的材料,可抵抗弯曲
耐热和耐化学性
在负载下尺寸稳定

夹具、固定装置和工具
涡轮机和风扇叶片
流体和气流部件
电气外壳和汽车外壳

耐高温树脂

耐高温
高精度

热空气、气体和流体流动
耐热底座、外壳和固定装置
模具和嵌件

柔性和弹性树脂

橡胶、TPU 或硅胶的柔韧性
可承受弯曲、弯曲和压缩 可承受
重复循环而不会撕裂

消费品原型
制作机器人兼容功能
医疗设备和解剖模型
特效道具和模型

医疗和牙科树脂

用于生产医疗和牙科器械的各种生物相容性树脂

牙科和医疗器械,包括手术导板、假牙和假肢
 

珠宝树脂

熔模铸造和硫化橡胶成型材料
易于铸造,细节复杂,保形性强

可重复使用模具的试穿件大师
定制珠宝

陶瓷树脂

仿石饰面
可烧成全陶瓷作品

工程研究
艺术与设计作品

 

 

 

(3)SLS 3D打印技术及其材料

SLS 3D打印技术原理是使用高功率激光来熔合聚合物粉末的小颗粒。在打印过程中,未熔化的粉末支撑着零件,所以打印的过程不需要支撑材料。适合制作复杂的几何结构模型。

与 FDM 和 SLA 相比,SLS 的材料选择有限,但可用材料具有优异的机械特性,强度类似于注塑件。尼龙材料是SLS 的最常用的材料
 

材料

描述

应用

尼龙12

坚固、坚硬、坚固且耐用
抗冲击,可承受反复磨损
抗紫外线、光、热、湿气、溶剂、温度和水
 

功能原型
最终用途部件
医疗设备

尼龙11

与尼龙 12 的特性相似,但具有更高的弹性、断裂伸长率和抗冲击性,但刚度较低

功能原型
最终用途部件
医疗设备

热塑性聚氨酯

柔韧、有弹性和橡胶状
抗变形能力强
紫外线稳定性
高减震效果好

功能原型
柔性橡胶状最终用途部件
医疗设备

尼龙复合材料

用玻璃、铝或碳纤维增强的尼龙材料以增加强度和刚度

功能原型
结构最终用途部件




 
当我们了解了这些塑料材料和 3D 打印技术后,我们又该如何去选择匹配使用呢?

下面三个步骤帮你轻松选择最合适的材料与打印技术!

 

步骤1.定义性能要求

用于 3D 打印的塑料具有不同的化学、光学、机械和热特性,这些特性决定了 3D 打印部件的性能。随着预期用途接近实际用途,性能要求也相应增加。



要求 描述 推荐
性能低下 对于形状和配合原型设计、概念建模和研发,打印部件只需要满足低技术性能要求。
 
示例:用于人体工程学测试的汤勺形状原型。除了表面光洁度外,不需要任何功能性能要求。
FDM:PLA
SLA:标准树脂、透明树脂(透明部分)、草稿树脂(快速打印)
中等性能 对于验证或预生产用途,打印部件必须尽可能接近最终生产部件以进行功能测试,但没有严格的使用寿命要求。
 
示例:用于防止突然撞击的电子元件外壳。性能要求包括吸收冲击的能力,外壳需要咬合在一起并保持其形状。
FDM:ABS
SLA:工程树脂
SLS:尼龙 11、尼龙 12、TPU
高性能 对于最终用途零件,最终的 3D 打印生产零件必须经得起特定时间段的显着磨损,无论是一天、一周还是几年。
 
示例:鞋外底。性能要求包括严格的循环加载和卸载寿命测试、多年的色牢度,以及抗撕裂性等。
FDM:复合材料
SLA:工程、医疗、牙科或珠宝树脂
SLS:尼龙 11、尼龙 12、TPU、尼龙复合材料
 
 
 
步骤 2:将性能要求转化为材料要求

一旦确定了产品的性能要求,下一步就是将它们转化为材料要求——满足这些性能需求的材料特性。您通常会在材料的数据表上找到这些指标。


要求 描述 推荐
抗拉强度 材料在张力下的抗断裂性。高抗拉强度对于结构、承重、机械或静态部件很重要。 FDM:PLA
SLA:透明树脂、刚性树脂
SLS:尼龙 12、尼龙复合材料
弯曲模量 材料在负载下的抗弯曲能力。材料刚度(高模量)或柔韧性(低模量)的良好指标。 FDM:PLA(高)、ABS(中)
SLA:刚性树脂(高)、坚韧耐用树脂(中)、柔性和弹性树脂(低)
SLS:尼龙复合材料(高)、尼龙 12(中)
伸长 拉伸时材料对断裂的抵抗力。帮助您根据柔性材料的拉伸程度来比较它们。还指示材料是首先变形还是突然断裂。。 FDM:ABS(中)、TPU(高)
SLA:坚韧耐用的树脂(中)、柔性和弹性树脂(高)
SLS:尼龙 12(中)、尼龙 11(中)、TPU(高)
冲击强度 材料吸收冲击和冲击能量而不断裂的能力。表示韧性和耐用性,帮助您了解材料掉落在地面上或撞到另一个物体时破裂的难易程度。 FDM:ABS、尼龙
SLA:Tough 2000 树脂、Tough 1500 树脂、Grey Pro 树脂、耐用树脂
SLS:尼龙 12、尼龙 11
热变形温度 样品在指定载荷下变形的温度。表明材料是否适用于高温应用。 SLA:高温树脂、刚性树脂
SLS:尼龙 12、尼龙复合材料
硬度(硬度计) 材料对表面变形的抵抗力。帮助您确定软塑料的正确“柔软度”,例如某些应用中的橡胶和弹性体。 FDM:TPU
SLA:柔性树脂、弹性树脂
SLS:TPU
撕裂强度 材料在张力下对切口增长的抵抗力。评估软塑料和柔性材料(如橡胶)的耐用性和抗撕裂性很重要。 FDM:TPU
SLA:柔性树脂、弹性树脂、耐用树脂
SLS:尼龙 11、TPU
蠕变 蠕变是材料在恒定应力影响下永久变形的趋势:拉伸、压缩、剪切或弯曲。低蠕变表明硬塑料的使用寿命,对于结构部件至关重要。 FDM:ABS
SLA:刚性树脂
SLS:尼龙 12,尼龙复合材料
压缩集 材料被压缩后的永久变形。对于软塑料和弹性应用很重要,它告诉您在去除负载后材料是否会恢复其原始形状。 FDM:TPU
SLA:柔性树脂、弹性树脂
SLS:TPU
 
 
第 3 步:进行选择

一旦您将性能要求转化为材料要求,您很可能最终会得到适合您的应用的单一材料或较小的一组材料。
如果有多种材料满足您的基本要求,那么您可以查看更广泛的所需特性,并考虑给定材料和工艺的优缺点和权衡,以做出最终选择。

 

 
 
 

金属 3D 打印

金属材料的 3D 打印工艺

一.金属FDM打印工艺
1. FDM 金属打印技术:

金属 FDM打印机的工作方式与传统 FDM 打印机类似,但使用由聚合物粘合剂固定在一起的挤压金属棒。然后将完成的“生坯”部件在熔炉中烧结以去除粘合剂。
 

2.选择性激光熔化 (SLM) 和直接金属激光烧结 (DMLS)

SLM 和 DMLS 打印机的工作原理与 SLS 打印机类似,但它们不是融合聚合物粉末,而是使用激光将金属粉末颗粒逐层融合在一起。SLM 和 DMLS 3D 打印机可以创建坚固、准确和复杂的金属产品,使该工艺成为航空航天、汽车和医疗应用的理想选择。

二.金属 3D 打印材料

1.钛:重量轻,具有优异的机械特性。它坚固、坚硬且高度耐热、抗氧化和抗酸。

2.不锈钢:具有高强度、高延展性、耐腐蚀等特点。
3.铝:质轻、耐用、坚固,并具有良好的热性能。
4.工具钢:是一种坚硬、耐刮擦的材料,可用于打印最终使用的工具和其他高强度零件。
5.镍合金:具有高拉伸强度、蠕变强度和断裂强度,并且耐热和耐腐蚀。