2.4 3D打印材料与选择

2.4.1 常见3D打印材料

材料是3D打印技术发展的重要物质基础，材料的丰富和发展程度决定着3D打印技术是否能够普及使用或者更好发展的关键。反过来，材料瓶颈已成为制约3D打印技术发展的首要问题。打印材料的使用，受限于打印技术原理和产品应用场合等因素。3D打印所使用的原材料都是为3D打印设备和工艺专门研发的，这些材料与普通材料略有区别，3D打印中使用的材料形态多为粉末状、丝状、片层状和液体状等。

据报告，现有的3D打印材料已经超过200多种，但相对于现实中多种多样的产品和纷繁复杂的材料，200多种也还是非常有限，工业级的3D打印材料更是稀少。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。

1．工程塑料

当前应用最广泛的一类3D打印材料是工程塑料。工程塑料是指被用来制作工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。常见的有ABS类材料、PC类材料、PLA类材料、亚克力（Acrylic）类材料和尼龙类材料等。

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）材料无毒无味，呈象牙色（如图2-15所示），具有优良的综合性能，有极好的耐冲击性，尺寸稳定性好，电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性、成型加工和机械加工较好。它的正常形变温度超过90℃，可进行机械加工（如钻孔和攻螺纹）、喷漆和电镀等，是常用的工程塑料之一。缺点是热变形温度较低，可燃，耐热性较差。

ABS是FDM成型工艺中最常使用的打印材料，由于良好的染色性，目前有多种颜色可以选择（如图2-16所示），这使得“打印”出的实物省去了上色的步骤。

3D打印使用的ABS材料通常做成细丝盘状，通过3D打印喷嘴加热溶解成型。由于喷嘴喷出后需要立即凝固，喷嘴加热的温度控制在高出ABS材料热熔点1～2℃，不同的ABS熔点也不同，对于不能调节温度的喷嘴，是不能够通配的，因此需要格外注意材料的来源，建议从原厂购买。ABS是消费级3D打印用户最喜爱的打印材料，如打印玩具和创意家居饰品等（如图2-17所示）。

PC中文名称聚碳酸酯，是一种无色透明的无定性热塑性材料（如图2-18所示）。聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使用温度内具有良好的机械性能。但耐磨性较差，一些用于易磨损用途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理。

PC材料是真正的热塑性材料，具备高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲等工程塑料的所有特性，可作为最终零部件材料使用。使用PC材料制作的样件，可以直接装配使用。PC材料的颜色较为单一，只有白色，其强度比ABS材料高出60 %左右，具备超强的工程材料属性，广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天和医疗器械等领域（如图2-19所示）。

此外，还有PC-ABS复合材料，它也是一种应用广泛的热塑性工程塑料。PC-ABS兼具了ABS的韧性和PC的高强度及耐热性，大多应用于汽车、家电及通信行业（如图2-20所示）。

使用该材料制作的样件强度较高，可以实现真正热塑性部件的生产，可用于手机外壳、计算机和商业机器壳体、电气设备、草坪园艺机器、汽车零件仪表板、汽车内部装修以及车轮盖等制造，包括概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件等（如图2-21所示）。

PLA（聚乳酸纤维）是一种可生物降解的材料，它的机械性能及物理性能良好，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，用途广泛（如图2-22所示）。此外，它还具有较好的相容性，良好的光泽性、透明度、抗拉强度及延展度等，制成的薄膜具有良好的透气性，因此PLA可以根据不同行业的需求，制成各式各样的应用产品。

PLA塑料熔丝是另一种常用的3D打印材料。相比ABS材料，PLA一般情况下不需要预先加热床，更易使用且更加适合低端的3D打印设备。其可降解的特性，使得它在消费级3D打印设备生产中成为较受欢迎的一种环保材料。PLA有多种颜色可供选择，而且还有半透明的红、蓝、绿以及全透明的材料，但通用性不高。

PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，如图2-23所示），也就是人们常说的亚克力材料，它是由甲基丙烯酸甲酯单体聚合而成的材料；它具有水晶般的透明度，用染料着色又有很好的展色效果。亚克力材料有良好的加工性能，既可以采用热成型，也可以用机械加工的方式。它的耐磨性接近于铝材，稳定性好，能耐多种化学品腐蚀。亚克力材料具有良好的适印性和喷涂性，采用适当的印刷和喷涂工艺，可赋予亚克力制品理想的表面装饰效果。

亚克力材料表面光洁度好，可以“打印”出透明和半透明的产品，目前利用亚克力材质，可以打印出牙齿模型用于牙齿矫正的治疗。

尼龙（如图2-24所示）是一种强大而灵活的工程塑料，在化学上属于聚酰胺类物质，耐冲击性大，耐磨性好，耐热性佳，高温使用下不易热劣化。自然色彩为白色，但很容易上色。尼龙材料在加热后，黏度下降比较快，因此从3D打印喷嘴喷出来时，比较容易流动。尼龙系列很多，其中尼龙最常使用，因其具有高熔点，耐热性佳，不易加热溶解等特性，制作出来的成品在高温下，也不易产生变化。

此外，尼龙铝粉是SLS成型技术的常用材料。尼龙铝粉顾名思义就是在尼龙粉末中掺杂一部分铝粉，使打印出的成品富有金属的光泽。当铝粉含量增大到50%时，制成品的热变形温度、拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和硬度比单纯尼龙烧结件分别提高了87℃、10.4%、62.1%、122.3%和70.4%。此外，烧结件的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度也随着铝粉平均粒径的减小而增大。尼龙材料制品多用于汽车、家电和电子消费品领域。

2．光敏树脂

光敏树脂即ultraviolet rays（UV）树脂（如图2-25所示），由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250～450nm）照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。

目前，研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3D System公司和以色列Objet公司（现与Stratasys合并）。常见的光敏树脂有somos evolve 128材料（somos evolve 128是somos NEXT的升级版）、somos 10122材料、somos 19120和环氧树脂。

somos 10122材料看上去更像是真实透明的塑料，具有优秀的防水和尺寸稳定性，能提供包括ABS和PBT在内的多种类似工程塑料的特性，这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。

somos 19120材料为粉红色材质，是一种铸造专用材料。成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开发模具的风险，大大缩短生产周期，拥有低留灰烬和高精度等特点。

环氧树脂是一种便于铸造的激光快速成型树脂，它含灰量极低（800℃时的残留含灰量＜0.01%），可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系，而且不含重金属锑，可用于制造极其精密的快速铸造型模。

3．橡胶类材料

橡胶类材料（如图2-26所示）具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

4．金属材料

近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。在国防领域，欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展，不惜投入巨资加以研究，而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

钛是一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于制作飞机发动机压气机部件，以及火箭、导弹和飞机的各种结构件。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金，它的抗腐蚀性能和机械性能都非常优异，用其制作的零部件强度高、耐高温。采用3D打印技术制造的钛合金和钴铬合金零部件，强度非常高，尺寸精确，能制作的最小尺寸可达1mm，而且其零部件机械性能优于锻造工艺。如图2-27所示。

不锈钢以其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢粉末是金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料。3D打印的不锈钢模型具有较高的强度，而且适合打印尺寸较大的物品（如图2-28所示）。

5．陶瓷材料

陶瓷材料（如图2-29所示）具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成型尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成型。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种黏结剂粉末所组成的混合物。由于黏结剂粉末的熔点较低，激光烧结时只是将黏结剂粉末熔化而使陶瓷粉末黏结在一起。在激光烧结之后，需要将陶瓷制品放入温控炉中，在较高的温度下进行后处理。陶瓷粉末和黏结剂粉末的配比会影响陶瓷零部件的性能。黏结剂分量越多，烧结比较容易，但在后处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度。黏结剂分量少，则不易烧结成型。颗粒的表面形貌及原始尺寸对陶瓷材料的烧结性能非常重要，陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。

陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多微裂纹。目前，陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，还没有实现商品化。

6．其他3D打印材料

除了上面介绍的3D打印材料外，目前用到的还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料。

彩色石膏材料是一种全彩色的3D打印材料，是基于石膏的、易碎、坚固且色彩清晰的材料。基于在粉末介质上逐层打印的成型原理，3D打印成品在处理完毕后，表面可能出现细微的颗粒效果，外观很像岩石，在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理，因此，彩色石膏材料多应用于动漫玩偶等领域。