3D打印耗材质量改进的相关研究

焦 阳

（安徽省芜湖市瀚搏电子科技有限公司,安徽 芜湖 241000）

3D打印耗材质量改进的相关研究

焦 阳

（安徽省芜湖市瀚搏电子科技有限公司,安徽 芜湖 241000）

3D打印技术是快速成型领域新增的一种三维实体打印技术，具有操作简便易行、成型速度快、成型件精准无误的优势，且整个过程基本无污染。随着3D打印技术的不断成熟和进步，其更加广泛的应用于生物医药、航空航天、建筑工程等领域。3D 打印技术发展的物质基础是耗材，耗材的性能、种类等因素直接影响着3D打印产品的质量和功能，因此如何推动3D打印耗材质量改进显得尤为重要。

3D打印耗材；质量；问题

0 引言

3D打印又称被称为增材制造，属于快速成型技术，选用可粘合材料，主要有粉末状金属、聚合物、陶瓷、塑料，以数字模型文件为基础，逐层堆叠累积来生产产品。当前条件下，制约3D打印技术发展的两个主要因素是打印耗材和打印设备，而相比于打印设备的研究和开发，打印耗材的研发更是难上加难，成为目前制约3D打印发展的至关因素。普通打印机的耗材主要是纸张和墨水，3D打印机使用的材料是胶水与粉末，且不能直接拿来采用，一定要先经过必要处理，同时对材料的固化反应速度等等也有较高要求。本文笔者介绍了用于3D打印的几类主要耗材，分析了当前3D打印耗材发展所面临的问题及研究进展，并提出了相关对策。

1 3D打印耗材

1.1 金属材料

金属材料力学强且导电性良好，目前利用其制造的3D打印产品已被广泛应用，在3D打印市场中占据很大一部分。所使用的金属材料必须符合粒径分布窄、含氧量低、纯净度高等特殊条件，通常是粉末状。钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等金属粉末材料是目前使用比较多的3D金属打印材料[1]。钛合金的优势在于低密度、高强度、耐高温且耐腐蚀，主要应用于汽车、火箭、导弹和航空航天等领域，且发展前景可观；钴和铬是钴铬合金的主要成分，优势在于抗腐蚀性能和机械性能良好，用其制作的零部件耐高温、强度高，一般用于制造一些精密的仪器；不锈钢材料耐腐蚀性强，且价格低廉，主要用于制作一些尺寸较大的3D打印产品；质轻、强度高是镁铝合金强于其他材料的优势，在一定程度上满足了制造业的强量化需求。

1.2 复合材料

美国硅谷Arevo实验室于2014年推出一项全新的3D打印技术，通过该技术顺利打印出了碳纤维增强尼龙基体（比PEEK更低端的聚合物树脂）的复合材料。传统打印模式是通过注塑或挤出方法来定型，与之相比，3D打印更加灵活、精准，在精确控制碳纤维取向的同时，还能优化机械、电和热性能，生产的复合材料零件任何一层都可实现其所需的纤维取向。航空航天、国防和医疗所使用的零件产品大部分都是利用复合材料来生产的，未来通过不断的探索和研究，有望开发出更轻、更强、更持久的组件。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料的优势在于硬度高、密度低、耐腐蚀且耐高温，较多的应用于汽车、生物等行业领域。3D打印的陶瓷制品耐热性能极好，可高达600℃，且不透水、无毒，并能废物回收利用，可作为炊具、餐具、花瓶、瓷砖等家具装饰的首选材料。但陶瓷材料存在强度不高的不足，加工成形比较困难，尤其是构造相对比较复杂的陶瓷件必须利用磨具来成形，而模具加工费用较高且开发耗时较长，很难满足产品的需求。据有关报道，西英格兰大学研发人员成功开发了一种改进型的陶瓷3D打印技术，在CAD数据的基础上，可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，在节省时间和成本的同时，解决了原陶瓷产品原型无法过火和测试釉质的困难[2]。

1.4 聚合物

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）和PLA（聚乳酸）是聚合物中应用较多的两类塑料。ABS是3D打印最常用的热塑性塑料，强度高、机械加工性和柔韧性较佳、抗高温。ABS材料颜色和种类比较多样，而PC材料单一，只有白色，但其强度又明显优于ABS材料。PC-ABS材料综合性就比较强，具备ABS韧性的同时，又有PC的高强度及耐热性，可首选为工程塑料[3]。但是PLA耐温性差，温度不得高于50℃，一旦温度大于50℃，材料就会变形，这一不足导致其不能在3D打印领域大量应用。PSU类材料在所有的热塑性材料中强度最高，耐热性和抗腐蚀性最佳，主要用来制造最终零部件，广泛应用于交通运输工具、航空航天等领域。

2 我公司对打印耗材的改进处理

目前市场上的3D打印耗材种类较少且性能不是特别稳定，我们公司对3D打印耗材做必要的物理改性处理，开发一套性能稳定，种类齐全的3D打印耗材。

（1）通过改善材料的结晶速率，提高冷却速度来实现打印过程中的快速成型；通过对材料进行改性研究来改善打印制品的翘曲变形问题及打印流畅性问题。

（2）通过物理共混改性方法，添加某种功能性物质及其辅助材料，使产品达到上述所列的功能性要求。

（3）通过制定全球通用的打印材料的规格、功能、颜色及性能指标等来确定统一的标准。

（4）通过使用资源可再生材料或生物材料，环保无毒助剂等方式实现环保要求。

3 3D打印技术目前的缺陷

目前，塑料仍是桌面级3D打印的主要材料，3D打印导致的层间粘结会引发打印模型产生各向异性的力学缺陷。对于3D打印技术目前的缺陷，Z—Corporation等3D打印公司致力于研究优化现有打印耗材的属性，目的在于提高产品性能；在研究现有材料的同时，努力开发全新的、性能更高的打印材料。很多高校也陆续开展了相关课题，研究不同材料组合，致力于弥补缺陷，开发出高性能结构的新型材料。

4 多样式的材料打印技术

目前，有很多的桌面级3D打印机还只能应用于打印单一材料模型。现在很多的3D打印机都有双喷头或者三喷头，但是在实际应用中，多喷头的打印机还在不断的试验探索中，Bayless等人开发的线轴挤出机，可在塑料上打印金属丝，将来可实现打印电路板；Braanker等人设计的颗粒挤出机，可加工出多种材料的颗粒。未来，多喷头打印中途频繁转换3D打印喷头出现的线材挤出不流畅的问题会成为以后研究的重中之重。

[1]唐通鸣,陆燕,李志扬,倪红军,聂富强.新型3D打印材料ABS的制备及性能研究[J].现代化工,2015(07).

[2]陈庆,曾军堂,陈韦坤.3D打印塑料材料技术现状和发展趋势[J].新材料产业,2015(06).

[3]张云波,乔雯钰,张鑫鑫,马芳,翟莲娜,顾哲明.3D打印用高分子材料的研究与应用进展[J].上海塑料,2015(01).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.249