3D打印材料的发展及其制备现状

3D打印材料的发展及其制备现状摘要：3D打印，又称快速成型制造技术，被誉为“第三次工业革命”的核心技术，其中材料是3D打印物质基础，也是当前制约3D打印快速发展的瓶颈，本文章综述了3D打印中材料的发展现状，重点介绍了现在用于3D打印的几类主要材料及在3D打印中对所用材料的要求，并指出了当前3D打印材料发展现状及制备所面临的主要问题，最后总结了3D打印材料方面未来的一些发展趋势和方向。关键词：3D打印；快速成型制造技术;3D打印材料;制备方法前言3D打印是指运用计算机软件设计出立体的加工样式然后通过特定的成型设备用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层打印出产品,与传统的减材制造不同.3D打印技术属于增材制造[1],其无需原胚和磨具,就能直接根据计算机图形数据,通过增加材料的方法生产形状的物体,简化产品的制造程序,缩短产品的研发周期,提高效率并降低成本.可见,3D打印是一种依托信息技术、精密机械和材料科学等多学科交叉的高新技术。3D打印技术包括“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”2大类。目前公众所了解的3D打印成果和案例大多属于“快速原型制造技术”范畴。其实快速原型制造的范畴比较广，除了3D打印还有“熔融沉积造型”、“选择性激光烧结”、“立体印刷”、“叠层实体造型”“光固化”等多种方式[2]。与传统制造技术相比，3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂开关零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。当前3D打印己应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域。但材料问题是3D打印的物质基础，从根本上决定了3D打印产品的精度，制作时间及使用性能等，当前国内生产的3D打印材料基本不能满足要求，很大一部分都是采用国外进口，由于在3D打印中对材料的要求很高，也是制约3D打印发展的瓶颈，这里简要介绍当前3D制造材料要求，发展现状，制备过程及所存在问题，最后介绍了3D打印未来发展趋势。13D打印材料及要求3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础在某种程度上材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用．目前3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用[3]．3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常不同的打印工艺其选择的材料和成型方法也有所不同，各成型工艺所用材料和优缺点对比表如表1所示[4]。根据打印设备的类型及操作条件的不同，3D打印对材料的一般要求为：所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1-100ｕm不等；而为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球形度；同时具有氧及其他杂质含量低、粒度均匀可控、致密性好、结合强度高等特点。表1各成型工艺所用材料和优缺点对比表类别方法成型原理使用材料优点缺点光固化成型液态光敏树脂在一定的紫外线照射下发生聚合反应，材料从液态变固态光敏树脂精度较高、表面效果好工艺运行及材料费用高，零件强度低，无法进行装配熔融沉积成型以丝状供料，被加热熔化的材料从喷头内挤出，迅速固化的方法蜡、ABS、PC、尼龙等不用激光、使用、维护简单、成本较低层与层固化过程中，对于形状复杂的结构，还需要一些辅助定位和支撑结构选择性激光烧结将粉末材料平铺在己成形零件上表面，并刮平，高激光器烧结成型。不同材料的粉末为原料，例如：金属粉末，陶瓷粉末，聚碳酸脂等材料选材广泛，无需考虑支撑系统，生产周期短等受粉末的影响，在烧结过程中会产生各种缺陷（裂纹、变形、气孔等）分层实体制造加工时，热压辊热压片材，使之与己成形工件粘接，用激光器在新层上切割出截面轮廓，如此反复薄片材料，如纸、塑料薄膜等原型精度高，原材料价格便宜，成型速度快。有较高的硬度和较好的机械性能。不能直接制作塑料工件，工件的抗拉强度和弹性不够好，工件易吸湿膨胀，前后处理费时费力三维印刷有选择性地喷射粘接剂将零件上平铺好的粉末粘结起来，最后烧结成型粉末材料，如陶瓷粉末，金属粉末不用激光，成本较低，材料选择广泛，不用支撑结构受粉末及烧结工艺的限制，产品的精度一般不高无模铸型制造技术第一个喷头在每层铺好的型砂上喷射粘接剂同时第二个喷头喷射催化剂，并产生胶联反应砂，树脂，石膏,催化剂等材料易得，可回收，铸造过程高度自动化。敏捷化。使设计、制造的约束条件大大减少制造的模具强韧性不够高、后处理操作的质量有待提高。2.当前3D打印材料发展现状及所面临的主要问题目前，3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是受打印材料方面的影响，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求[5]。3D打印对原材料的要求比较苛刻，满足激光工艺的适用性要求所选的材料需要以粉末或丝棒状形态提供。材料融化后在软件程序驱动下，自动按设计工艺完成各切片的凝固，使材料重新结合起来，完成成型。由于整个过程涉及材料的快速融化和凝固等物态变化，对适用的材料性能要求极高，从而材料成本居高不下。有专家指出，3D打印的核心是它对传统制造模式的颠覆，因此，从某种意义上说，3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发[2]。2.1快速原型制造及材料现状快速原型制造即通常所说的快速成型，目前3D打印快速成型用特种粉体材料大多是设备工艺厂商针对各自设备特点定制的[6]，优点是与专属设备的适用性好，研制难度相对小，缺点是材料的产业通用性差，产品成型过程的精度还有待提高，产品成型后的强度较低，可见，制品表面精度受粉末原材料特性的制约明显，工艺对材料依赖性不容忽视。2.2高性能金属构件直接制造技术及所用材料现状起步于20世纪90年代初，工艺难度比较大，高性能金属构件直接制造所用材料主要是钛及钛合金粉末材料和镍基或钴基的高温合金类粉末材料。工艺过程主要采用高功率的能量束如激光或电子束作为热源，使粉末材料进行选区熔化，冷却结晶后形成严格按设计制造的堆积层，堆积层连续成型，形成最终产品。到目前为止，工业上的小型金属构件直接制造相对容易，体积较大的金属构件的直接制造难度非常大，对材料和工艺控制的要求很高。这将是增材制造产业推动相关工业发展的重点方向，也将是一项关键技术。其最大的难度在于材料和成型工艺。以钛合金为例，激光熔化后的材料凝固会造成钛合金体积收缩，造成巨大的材料热应力，内应力对小型构件影响不大，但随着零件尺寸的增加，成型变得非常困难，即使能够成型也会由于大的内应力严重影响材料强度。第二个难题是材料冷却结晶过程复杂，材料结晶过程很难定量控制，一旦出现晶体粗大、枝晶等必将造成材料成型后的力学性能不佳等问题，最终结果就是关键构件没办法获得实际应用。2.33D打印材料粉末制备方法简介及现状目前，合金粉末的制备方法主要有水雾化、气雾化和真空雾化等，其中真空雾化制备的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均匀等特点，应用效果最佳。其中，高性能金属构件直接制造所用材料主要是钛及钛合金粉末材料和镍基或钴基的高温合金类粉末材料。目前钛及钛合金粉末制备方法主要有等离子旋转电极、单棍快淬、雾化法等1，其中旋转电极法因其动平衡问题，主要制备20目左右的粗粉[7]；单棍快淬法制备的粉末多为不规则形状、杂质含量高，而气体雾化法制备的粉末具有球形度较好、粒度可控、冷却速度较快、细粉收得率高等优点，但雾化合金粉末易也出现一些缺陷，例如夹杂物、热诱导孔洞、原始粉末颗粒边界物。对于3D打印技术来说，粉体材料中夹杂物和热诱导孔洞都会对成型部件产生影响。国外钛及钛合金粉末的研究由来已久，技术相对成熟，而国内在雾化设备及粉末制备工艺方面，主要为移植和仿研，高性能制粉设备仍以进口为主，氢、氧等也高于国外同类产品水平[8]。目前高端的合金粉末和制造设备还主要依靠进口。而国外常将原材料与设备捆绑销售，赚取大量的利润。国内尚未针对3D打印技术用粉末开展相应的研究[9]。如粉末成分、夹杂、物理性能对3D打印相关技术的影响及适应性。因此针对低氧含量、细粒径粉末的使用要求，尚需开展钛及钛合金粉末成分设计、细粒径粉末气雾化制粉技术、粉末特性对制品性能的影响等研究工作。国内受制粉技术所限，目前细粒径粉末制备困难，粉末收得率低、氧及其他杂质含量高等，在使用过程中易出现粉末熔化状态不均匀，导致制品中氧化物夹杂含量高、致密性差、强度低、结构不均匀等问题，国内合金粉末存在的主要问题集中在产品质量和批次稳定性等方面，包括：①粉末成分的稳定性（夹杂数量、成分均匀性）；②粉末物理性能的稳定性（粒度分布、粉末形貌、流动性、松装比等）；③成品率问题（窄粒度段粉末成品率低）等。33D打印产业及材料方面未来发展难点及趋势3.13D打印要解决的问题在3D打印快速成型方面，研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题，将会更好地推动我国的快速成型技术的发展。与此同时，国内也逐渐的加强了3D打印材料制备装置及材料研发方面的资金投入，为了打破国外垄断的局面及价格问题，要更加注重3D打印材料生产工艺的研究，针对低氧含量、细粒径均匀粉末的使用要求，尚需开展钛及钛合金粉末成分设计、细粒径粉末气雾化制粉技术、不同粉末特性对制品性能的影响等方面的研究。另一方面，对制备3D打印材料生产装备的研发，也是亟需要解决的一大难题。3.23D打印材料及技术方面未来发展的方向趋势根据3D打印的现有加工流程，比较常用的制造方法：是通过特定的成型设备用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层打印出产品，基于这种特殊的打印制造方式，我们可以从不同材料具有不同的特性和功能入手，例如：陶瓷材料可以承受高温及耐腐蚀，镍钛诺形状记忆合金具有超弹性和延展性，钛合金具有高硬度及比较好的综合性能等。那么，在3D打印制造过程中，在打印的不同的区域和不同层之间可以采取不同的材料进行打印，这样打印出来的整个产品的不同部分就可以同时适应耐磨、耐腐蚀、耐高温等不同的工作环境和工作要求，使材料和打印后的物体的综合性能发挥到最大。但同时这一制造过程也同时必需要解决掉不同材料之间因热应力系数不同，膨胀系数不同等原因造成的结合性能上缺陷上问题。另一方面，提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接物联控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用和发展。参考文献[1]王忠宏李扬张曼茵．中国3D打印产业的现状及发展思路[J]．经济纵横201328190－13[2]王雪莹，3D打印技术与产业的发展及前景.中国高新技术企业.2012,26:233[3]孙聚杰，3D打印材料及研究热点.数字化技术.2013,12:12-20[4]杜宇雷，孙菲菲，原光等，3D打印材料的发展现状.徐州工程学院学报.2014,29，1[5]The3Dprintedworld[J]．Economist，2011-2-10．[6]古