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3D打印材料发展史

时间:2014-05-07 11:17 来源:未知 作者:中国3d打印网 阅读:

     3D打印技术的兴起和发展,离不开3D打印材料的发展。正如前面所述,3D打印有多种技术种类,如SLS、SLA和FDM等等,每种打印技术的打印材料都是不一样的,比如SLS常用的打印材料是金属粉末,而SLA通常用光敏树脂,FDM采用的材料比较广泛如ABS塑料、PLA塑料等等。

当然,不同的打印材料是针对不同的应用的,目前3D打印材料还在丰富中,材料的丰富和发展也是3D技术能够普及、能够带来所谓“第三次工业革命”的关键。

3D打印行业是一个集产品销售、材料销售和服务销售一体的行业,本身的商业模式具有可持续的特征,这就意味着用户在购买3D打印机之后,还需要持续购买打印材料,这一点和打印机市场非常相似。目前,用户购买了3D打印机之后,只能在同一个厂商购买材料。虽然现在这个束缚已经逐渐消除,尤其在消费级3D打印机领域,FDM的材料基本标准化了,但是在工业级3D打印机领域打印耗材和厂商还是强关联的。

根据业内领先的厂商的报告,目前3D打印的材料已经超过了200种。从直接数字制造(DDM)角度来看,200多种材料还是非常有限的,因为现实中产品非常多,生产材料以及其组合也是纷繁复杂的。这些材料我们不可能一一解读,但是把这些材料归类之后,也不外乎石化产品类、生物类产品、金属类产品、甚至是石灰混凝土产品这样几大类,我们在这里和3D打印的应用介绍一样,进行归类介绍。具体的名词和材料特性不是重点,重点介绍这些材料在3D打印的特点和应用。

  ABS 塑料类

ABS可以说是FDM最常用的打印材料,目前有多种颜色可以选择,是消费级3D打印机用户最喜爱的打印材料,比如打印“乐高”类型的很多玩具,制作很多创意家居饰件等。ABS材料通常是细丝盘装,通过3D打印喷嘴加热熔解打印。由于喷嘴喷出之后需要立即凝固,喷嘴加热的温度控制在ABS材料热熔点高出1°C到2°C,不同的ABS由于熔点不同,对于不能调节温度的喷嘴,是不能通配的。这也是为什么最好在原厂商购买打印材料的原因。

 

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  多种颜色的ABS打印材料

 PLA塑料类

PLA塑料熔丝可以说是另外一个非常常用的打印材料,尤其是对于消费级3D打印机来说, PLA可以降解,是一种环保的材料。PLA一般情况下不需要加热床,这一点不像ABS,所以PLA容易使用,而且更加适合低端的3D打印机。PLA有多重颜色可以选择而且还有半透明的红、兰、绿以及全透明的材料。和ABS同样的原因,PLA的通用性也有待提高。

 

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  Ultimaker的多种颜色的PLA材料。

 亚力克 Acrylic类材料

亚力克(有机玻璃)材料表面光洁度好,可以打印出透明和半透明的产品,目前利用亚力克材质,可以打出牙齿模型用于牙齿矫正的治疗。

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  Stratasys公司利用亚力克材料打出的医用牙模(Objet打印机)

 

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  利用亚力克材质打印出来的样品

 

  尼龙铝粉材料(Alumide)

这种材料在尼龙的粉末中参杂了铝粉,利用SLS技术进行打印,其成品就有金属光泽,经常用于装饰品和首饰的创意产品的打印中。

 

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  Shapeways提供Alumide材料打印样式

 

  陶瓷——Ceramic

陶瓷粉末采用SLS进行烧结,上釉陶瓷产品可以用来盛食物,很多人用陶瓷来打印个性化的杯子,当然3D打印并不能完成陶瓷的高温烧制,这道手续现在需要在打印完成之后进行高温烧制。

 

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 3D打印出来的创意陶瓷水杯

 

  树脂——Resin

树脂是SLA——Stereolithography光固化成型的重要原料,其变化种类很多,有透明的、半固体状的,可以制作中间设计过程模型,由于其成型精度比FDM高,可以作为生物模型或医用模型。

 

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  用树脂成型的远古人类头骨

 

  玻璃——Glass

真正的玻璃目前正在试验当中,玻璃粉末采用SLS技术进行打印,玻璃材质的变化种类就像树脂和聚丙乙烯一样多。

 

  不锈钢——Stainless Steel

不锈钢坚硬,而且有很强的牢固度。不锈钢粉末采用SLS技术进行3D烧结,可以选用银色、古铜色以及白色的颜色。不锈钢可以制作模型、现代艺术品以及很多功能性和装饰性的用品。

 

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 Shapeways打印服务网站的不锈钢物件展示

 

  其他金属——银、金和钛金属

这些金属材料都是采用SLS的粉末烧结,金银可以打印饰品,而钛金属是高端3D打印机经常用的材料,用来打印航空飞行器上的构件。

 

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  i.materialise 3D服务网站上的黄金材质打印饰件

 

  彩色打印和其他材质

彩色打印有两种情况,一种是两种或多种颜色的相同或不同的材料从各自的喷嘴中挤出,最常用的是消费级的FDM 双喷嘴的打印机,通过两种或多种材料的组合来形成有限的色彩组合。另外一种是采用喷墨打印机的原理,通过不同的染色剂的组合,和粘黏剂混合注入打印材料粉末中进行凝固,理论上这种技术可以打印出“真彩”的3D物品。打印材料通常选择为树脂、聚丙乙烯或ABS。“全彩”打印技术最成熟的是3D system公司,其次是以色列的Objet公司(已经与美国Stratasys公司合拼)。

 

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  全彩色3D 印的地理模型

 

其他的打印材质包括了水泥、岩石、纸张、甚至是盐,目前都是少量的研究应用。比如用混凝土来打印房子,目前荷兰有公司已经开始进行研制了,初步实验可以打印出来小的模型或预制件,也有人研究用木板或者纸张来打印家具,尤其是纸张可以利用回收的报纸,是很有前景的。

 

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  Kai Parthy发明的Laybrick,类似于混凝土的坚硬材料

 

我们已经大致介绍了目前3D打印常用、能够使用的材料,3D打印的材料还在不断的发展,比如以色列Objet公司生产消费级和工业级的多款打印机,但是Objet公司更加重视在打印材料上面的研发,每年针对不同的行业推出相应的打印材料,比如医学使用的材料。另外我们应该认识到的是3D打印材料均是新开发和定制的,专用于3D打印的,不论是FDM还是SLA或SLS技术,其对材料的要求都很高,而且现在3D打印的材料价格还是比较贵的。材料的通用性是有待解决的问题,Objet每年推出好几款新材料,但是都只能应用在Objet自产的打印机上面,材料通用性目前在消费级打印机上面有所突破,但是工业级以及高端打印机的材料还是专属的。

最后,我们对比一下各种不同材质打印的效果,同时参考一下在3D打印服务网站www.shapeways.com上面各种材料来打印的价格(反应了材料的价格对比,但不是材料的价格,其中包含了服务费用)。

 

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  Shapeways网站上,各种材料打印效果和价格对比

(责任编辑:中国3D打印机网)