3D打印材料的应用现状

田 芳，刘桂荣，韩文华

(包头职业技术学院 材料工程系，内蒙古 包头 014035)

3D打印，又称增材制造，是制造业领域迅猛发展的一项新技术。3D打印技术不仅转换了工程师和制造商的视角，同时也吸引了大众的高度关注。3D打印技术又被称为第三次工业革命的重要标志之一，既拓展了非主流的设计潮流，也展现了新时代个性化创造的活力和潜力[1]。

3D打印主要是以计算机三维设计软件为基础，把所设计的3D模型进行分层离散，再通过特定的设备将材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成形出实体产品。是一种跨学科的交叉技术，综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，是快速成形技术的一种[2]。材料是3D打印技术的核心，它决定了3D打印的成形工艺、设备结构和成形件的性能，也是当前制约3D打印发展的瓶颈。本研究基于国内外3D打印所应用的材料研究与应用文献，对3D打印材料在中国的应用现状进行研究，详细列出目前3D打印技术所应用的材料和特点，并结合行业形式对其发展前景进行展望。

目前，3D打印的材料主要有金属、聚合物和陶瓷材料等，其形态一般有粉末状、丝状、层片状和液体状。

1 金属材料

近几年来，由于技术的不断更新进步，3D打印技术被用于越来越多的复杂产品加工，尤其是用金属材料直接打印产品，其发展速度更是惊人。在国防、航空领域，国内外的研究机构不惜投入巨资加以研究，将其应用于结构复杂、材料昂贵的金属零部件生产和小批量定制上，3D打印技术的成本、效率和质量优势突出，这也成为近年来大家研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般具有纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低等特点，目前主要应用的金属粉末有钛合金、高温合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰的金、银等贵金属粉末材料[3]。

钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高的特性，被广泛用于制作飞机发动机、火箭和导弹的各种结构件。英国的Metalysis公司研制的低成本钛金属粉末已经被用于航空航天以及汽车零部件的3D打印[4]。3D打印出的涡轮增压器零件如图1所示。我国北京航空航天大学王华明团队利用钛合金打印的“飞机钛合金大型复杂整体构件”，是迄今为止3D打印制作的最大构件，已获得成功应用，并于2013年荣获国家技术发明奖一等奖。2017年，我国具有完全自主知识产权、首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机

C919首飞成功，其机翼的主要承重部件—机翼中央翼缘条，就是西北工业大学黄卫东教授团队的研发成果。前机身和中后机身的登机门、服务门以及前后货舱门上还使用了23个金属3D打印部件，如图2所示。

除了航空航天、汽车等方面的应用，钛合金因其良好的生物相容性和耐腐蚀性，也被广泛应用于医学领域，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、手术器械等医用产品的首选材料。3D打印钛合金材料的植入物，能够根据个人不同的要求进行个性化设计。3D打印的钛合金下颌骨如图3所示，可以完全贴合患者的患处曲线[5]。除此之外，3D打印的钛合金物件由于密度小、强度高、重量更轻，应用于运动器械上有着独特的优势，在自行车、网球拍和高尔夫球杆方面获得了广泛的应用。3D打印的高尔夫球杆头如图4所示，比普通不锈钢材料制成的高尔夫球杆头打得准、打得远。

图1 3D打印的钛合金涡轮增压器

图2 3D打印的C919飞机登机舱门零件分布图

图3 3D打印的钛合金下颌骨

图4 3D打印的钛合金球杆头

高温合金材料的强度高、化学性质稳定，利用传统工艺加工成本较高，且不易成形。目前，高温合金材料已被列为航空工业应用的主要3D打印材料[6]。图5为美国利用3D打印技术制备的IN718镍基高温合金转子[7]。性价比最高的是不锈钢，打印出来的产品强度高，但表面粗糙度较大，常被用于打印功能结构件和小型雕刻品等。镁铝合金具有质量轻、强度高等优点，也成为3D打印的备选材料。镁铝合金在生产中被广泛应用，可满足制造业的轻量化需求。如日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机壳体上的特殊曲面顶盖[8]。

3D打印的金属材料除了粉末状，还有液态的，主要代表是镓(Ga)。该金属不含毒性，不会高温蒸发，具有导电性。利用该金属3D打印时，在喷嘴处能够形成三维结构的液滴，常被用于制造柔性和伸缩性的电子产品。如北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金，通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构，成功用于制作连接电子部件[9]。

图5 3D打印的IN718镍基高温合金转子

2 聚合物(Polymer)

一直以来聚合物都是3D打印的热门材料，因其强度高、性能好、成本低而被广泛应用，目前最常用的是ABS、PA和光敏树脂UV。

ABS具有强度高、韧性好、耐冲击性等优点，而且颜色种类较多，是3D打印技术中应用最广泛的绿色、热塑性塑料。很多桌面式打印机都采用ABS材料。图6为3D打印的ABS结构件。Stratasys公司研发的 ABS-M30，专用于3D打印，可大大提高常规ABS的力学性能[10]；3DXTech公司研发的3DXNano ESD材料，主要用于打印汽车、电子、电器等关键零部件。

聚酰胺(PA)的强度高、柔韧性好、热变形温度高，但收缩率小。虽然PA加工温度稍高，但其打印制品的韧性比ABS高，冲击强度是PLA制品的10倍以上，因此，PA比较适用于打印结构件、服装制品等。图7为利用PA材料3D打印的运动鞋。目前，美国的Mark Forged 公司研发出了可用于连续碳纤维增强型交合材料的3D打印设备，并成功应用于碳纤维增强尼龙复合材料[11]。

光敏树脂(UV)是又一种常见的3D打印材料，一般为液态，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成，加入光敏剂后，可在一定波长的紫外光(250～300 nm)照射下，引起聚合反应从而完成固化的过程，因此也被称为液态光固化树脂。它的性能类似ABS，机械强度高、气味低、耐储存、通用性强，而且其固化速度快、成形精度高、表面效果好，适用于SLA快速成形设备[12]。图8为采用SLA成形工艺制作的UV装饰品。

随着3D打印技术的迅速发展，越来越多的新型聚合物材料应用到3D打印领域。目前，Shapeways公司最新研制出了一种3D打印原材料—EP(elasto plastic)。该材料非常柔软，在进行塑形时，跟ABS一样可采用“逐层烧结”原理，但打印出来的产品弹性却相当好，变形后容易复原，可用于打印鞋、衣服和手机壳等穿戴物品或可变形类的产品，解决了ABS打印穿戴物品或者可变形产品时存在的脆性问题[13]。杜邦高性能材料公司也推出了基于聚合物的新型3D打印材料，DupontHytrel热塑性弹性体、Du Pont Zytel尼龙和 Du Pont Surlyn高聚物。

图6 3D打印的ABS结构件

图7 3D打印的PA运动鞋

图8 3D打印的UV装饰品

3 陶瓷材料

相对于金属材料和聚合物，对3D打印陶瓷材料的研究和应用较少。陶瓷材料虽然具有耐高温、强度高、物理化学性质稳定等优点，但若与3D打印技术相结合，其难度较大，需要克服力学性能差、制作精度低、烧结成品收缩率高等一系列难题。

氧化铝(Al2O3)作为陶瓷原料的主要成分，在自然界中的含量仅次于SiO2，其来源广、成本低，是产量最大、用途最广的陶瓷材料。目前用于制备3D打印陶瓷粉末的方法有以下三种：①将陶瓷粉与粘结剂直接混合；②将粘结剂覆在陶瓷颗粒表面制成覆膜陶瓷；③将陶瓷粉末进行表面改性后再与粘结剂混合集中。采用陶瓷粉末3D打印技术，具有制作周期短、成本低、加工便捷、可操作性强等优势，在建筑、航空航天和电子消费品等领域具有广泛应用性[14]。图9为3D打印的陶瓷件。

在医疗领域，广泛应用的材料是磷酸三钙陶瓷(tricalcium phosphate，TCP)材料。该材料是一种合成材料，化学组分与骨骼十分相近，具有无变异性、较好的生物相容性等优点，它可以发挥良好的骨传导作用，能够帮助机体更快地进行新陈代谢，一般用于制作骨修复三维支架。目前，国外已经开始对TCP陶瓷的3D打印技术进行系统的研究，并通过喷墨沉积打印技术成功打印出TCP陶瓷支架。图10为3D打印的骨骼。

图9 3D打印的陶瓷件

图10 3D打印的骨骼

4 其他材料

生活中有很多材料都可用于3D打印的原材料。目前，用到的3D打印材料还有覆膜砂、秸秆、石膏、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等。

覆膜砂采用在热固性树脂(如酚醛树脂)中加入锆砂和石英砂的方法制得，可以利用激光烧结的方法制得3D打印件，也可用做铸造砂型来制造金属零件，尤其适用于具有复杂形状的有色合金铸造，如镁、铝等合金等[15]。

农作物秸秆作为一种可再生资源，也受到了研究人员和企业的关注。目前，中国扬州一家企业研发出了以玉米秸秆为主的3D打印新材料。由于原料具有天然的草木色纹理，并伴有秸秆的清香，所以打印出来的花瓶、餐盘等日常生活用品更有木质感，不仅美观实用，还低碳环保；由于秸秆来源广泛，成本低廉，因此，其3D打印技术具有广泛的应用前景[15]。

5 结论

3D打印行业的发展取决于其材料的研发和应用，目前有300多种打印材料。目前，虽然桌面打印机也走入了人们的日常生活，但国内3D打印材料的发展形式仍不容乐观—ABS等聚合物虽被广泛使用，但其成品的打印精度却低于国外同类产品。目前，国内多数的金属材料和打印设备都需要进口，导致打印成本高，严重影响了国内3D打印产业化的进度。为推进我国3D打印产业快速可持续发展，工信部联合五部委共同发布了《国家增材制造产业发展推进计划》，在(2017—2020年)行动计划中明确指出“培育形成从材料、工艺、软件、核心器件到装备的完整增材制造产业链”，我们应该积极响应国家号召，提升现有3D打印材料质量的同时，充分发挥新能源的优势，开发更多的新材料，进一步探索成本更低、相容性更好、实用性更强的3D打印材料，使打印技术更好地服务于社会、企业和家庭。