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【畅德3d学堂】关于适用于fdm技术的材料清单
添加时间:2018-10-09    来自:handler

材料是3d打印的灵魂,也是制约3d打印发展的瓶颈。一种材料的出现直接决定了制造技术、成型工艺、设备结构和成型件的性能。目前3d打印材料还在丰富中,材料的丰富和发展也是3d打印技术能否普及的关键。今天分享的是主要用于fdm技术的材料,它们都属于3d打印材料中很重要的一个家族:高分子材料。以我国的体积产量计算,高分子材料已远远超越金属材料和无机陶瓷材料,跃居材料行业的首位。

stratasys是世界上最大的fdm生产厂商。1998年,stratasys开发了一种专用于医学机构的medmodeler机型,使用材料为abs。随后又开发出能够运用于fdm工艺的人造橡胶、铸蜡、热塑性聚酯和pc材料。2002年推出了支持fdm技术的工程材料ppsf,在fdm材料中,ppsf有着最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性。随后,stratasys公司开发了工程材料pc/abs。 pc/abs结合了pc的强度以及abs的韧性,性能明显强于abs。

很多高分子材料具有熔融温度低的特点,极大地满足了3d打印中fdm打印工艺的需要。此外,高分子3d打印材料由于其较低的烧结温度,比如尼龙材料,在sls(选择性激光烧结)打印工艺中也有广泛应用。

1. abs

abs(acrylonitrile butadiene styrene)是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物,a代表丙烯腈,b代表丁二烯,s代表苯乙烯。丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高强度及高光洁度。由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚成的工程塑料abs,具有强度高、韧性好、稳定性高的特点,是一种热塑性高分子材料结构。

abs的材料种类很多,有象牙白、蓝色、玫瑰红色、黑色等,广泛地应用于汽车、纺织、电子电器等领域,是一种用途极广的热塑性工程塑料。abs是目前产量最大、应用最广泛的聚合物。

各种颜色的abs材料

在3d打印中,abs是fdm成型工艺常用的热塑性工程塑料,但不能生物降解。abs良好的强度、柔韧性、机械加工及抗高温性能常常使其成为工程师的首选塑料。另外,它具有极好的耐磨性和抗冲击能力。abs物件在3d打印过程中最大的障碍就是与3d打印机的工作平台直接接触的表面易出现翘曲,这就需要提前加热打印平台(一般50~110℃).


利用abs材料打印的工业部件

利用abs材料制作的游戏手柄外壳

研究者发现,打印abs的颗粒排放量为pla的10倍。超细颗粒通常都很容易进入到人体的气管和肺部,并被吸收到血液循环系统,因而长期接触就有可能引发一些健康问题,比如肺病、中风和哮喘。因此,家庭3d打印机打印abs材料的时候都需要做好防护措施。

2. pla

pla(polylactide)即聚乳酸,又名玉米淀粉树脂,是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(玉米)所提取出的淀粉原料制备而成,使用后能被自然界中微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水。聚乳酸的加工温度为170℃~230℃,具有良好的热稳定性和抗溶剂性,被广泛应用于服装、工业和医疗等领域。


基于玉米淀粉的各色pla线材

pla一经问世就被认为是迄今为止最有市场潜力的可生物降解聚合物而备受关注。ems伊文达-费希尔(inventa -fisher)公司将基于pla的生物降解聚合物生产工艺推向工业化,该公司与德国aib农业技术研究院和fiap聚合物研究院合作,在德国农业部的支持下,开发了基于淀粉的技术生产pla。在我国,越来越多的塑料加工企业也参与了pla的研发和生产。

pla在3d打印过程中不会像abs那样释放出刺鼻的气味,变形率仅是abs耗材的1/10到1/5。pla对人体无害和可完全生物降解的特性使得pla在生物医药领域是最具发展前景的材料之一。聚乳酸对人体有高度安全性,可被组织吸收,可应用在生物医疗的诸多领域,如一次性输液工具、免拆手术缝合线、人造骨折内固定材料等。

pla与abs的区别如下:


1. pla是结晶体,abs是非结晶体。加热pla时,直接从固体到液体;加热abs时,慢慢转换为凝胶,不经过状态改变。

2. 打印pla时有芳香味,abs有刺鼻的不良气味。

3. 打印大型模型时,pla即使在没有加热床的情况下边角也不会翘起。

4. pla加工温度通常是200℃,abs在220℃以上。

5. pla具有较低的熔体强度,打印模型更容易成型。缺点是容易堵塞热端,塑性强度和耐用性不如abs。

3d打印的pla骨折固定装置

pla作为3d打印耗材也有其天然劣势。打印的物体强度低于abs,抗冲击能力不足,在高温环境下会变形等问题,在一定程度上影响了pla在3d打印领域内的应用。

pla各色制品

3. pa(尼龙)

尼龙(nylon)又叫聚酰胺纤维,英文名polyamide(简称pa)。尼龙外观为白色至淡黄色颗粒,制品表面有光泽且坚硬。尼龙材料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度。部分尼龙用作合成纤维,其强度甚至可同碳纤维媲美,是重要的增强材料,在航天工业中被大量应用。尼龙的不足之处是在强酸或强碱条件下不稳定,吸湿性强。下图为一些常见的尼龙制品。

尼龙网与尼龙布

3d打印尼龙材料属于一种特殊的耐用性工程尼龙。耐用性尼龙材料是一种非常精细的白色粉粒,做成的样品强度高,同时具有一定的柔性,使其具有较强的抗冲击性能。由于尼龙熔融温度比较高,而热变形温度较其他高分子材料相比较低,因此尼龙材料多数采用sls(选择性激光烧结)工艺进行打印。而复合型材料,比如尼龙与玻璃纤维混合,有效地改善了尼龙的可加工性,使其满足了fdm技术的需要。但同时,玻璃纤维的加入也增加了制品的表面粗糙度。

2013年,世界首辆3d打印汽车urbee问世,其主要材料是尼龙玻纤,利用fdm工艺制成。尼龙玻纤从喷头挤压出来的丝状材料甚至能达到人的头发丝那么细,从而有效保证了打印产品的精细度。整个车的零件打印只需耗时2500小时,生产周期远小于传统汽车制造周期。

全球首辆利用fdm工艺制成的汽车urbee

4. pc(聚碳酸酯)

聚碳酸酯(polycarbonate,pc)是一种20世纪50年代末期发展起来的无色高透明度的热塑性工程塑料。pc的强度比abs材料还要高出60%左右。pc材料具有耐冲击、韧性高、耐热性高、耐化学腐蚀等特点,被广泛应用于眼镜片、饮料瓶等各种领域。聚碳酸酯最早由德国拜尔公司于1953年研发制得,并在20世纪60年代初实现工业化,90年代末实现大规模工业化生产。

pc粒料

目前,国内外都非常重视pc材料在3d打印技术中的应用,pc材料是一种综合性能优越的工程塑料,成型收缩率小,尺寸稳定性高,在建筑行业、汽车制造工业、医疗器械、航空航天、电子电器等领域都有广泛应用。据统计,一架波音型飞机上所用pc部件多达2500个。

利用pc材料打印的工业部件

5. pp(聚丙烯)

pp(polypropylene)即聚丙烯,是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂,其无毒、无味,强度、刚度、硬度耐热性均高于聚乙烯,可在100℃左右使用,具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响。缺点是不耐磨、易老化。适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用,可用于食具。

聚丙烯3d打印模型

模拟聚丙烯材料是一种新型的可用于3d打印的聚合物材料,它在很多方面模拟了聚丙烯在强度和耐热性方面的优点,同时也弥补了聚丙烯材料在韧性和低温脆性等方面的不足。由于模拟聚丙烯拥有着亮白的颜色以及极佳的表面光洁度、光滑的触感,它在家用电器、日常消费品、汽车部件及实验室设备的原型制作方面都非常适用。


模拟聚丙烯材料

6. 合成橡胶

在四大工业基础原料——天然橡胶、煤炭、钢铁和石油中,天然橡胶是占有一席之地的。在四大原料之中,又是唯一的可再生资源。从橡胶发展的历史看,1900年可以作为一个分水岭,之前人类对橡胶的认识与利用仅仅局限于天然橡胶,之后则慢慢进入人工合成橡胶阶段。

用于fdm技术的橡胶线材及鞋模

统一将用化学方法人工合成的橡胶称为合成橡胶,能够有效弥补天然橡胶产量不足的问题,合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面,但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能。3d打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备、卫生用品、汽车轮胎以及绝缘材料等。

利用合成橡胶3d打印的物件

7. ppsf

聚亚苯基砜(polyphenylsulfone, ppsf)是支持fdm技术的新型工程塑料,其颜色为琥珀色,材料热变形温度为189℃,适合高温的工作环境。ppsf可以持续暴露在潮湿和高温环境中而仍能吸收巨大的冲击,适用于冲击强度高、耐应力开裂和耐化学腐蚀的材料。

通过3d打印技术制作的ppsf物件坚如硬木,可承受高温高压,具有良好的机械性能,被广发应用于电子、汽车和医疗等领域,另外,ppsf无毒,可与食品和饮用水直接接触,获得了美国fda认证。无论是从经济发展的需求,还是从经济效益来考虑,ppsf的开发和应用都是相当必要的。

ppsf材料制品


利用ppsf材料制作的眼镜(图片来源:stratasys)

8. pei

聚醚酰亚胺(polyetherimide, pei)材料针对fdm工艺,具有完善的热学、机械以及化学性质,pei在高温下具有高强度、高耐磨性以及尺寸稳定性,是航空航天、汽车与军队应用产品的理想之选。美国通用公司的pei商品名为“ultem”,在线路板、照明设备、液体输送设备、医疗设备、飞机内部零件和家用电器等领域有着广泛应用。其中ultem 9085材料是ultem材料中应用最广泛的,具有优越的综合性能。

利用ultem 9085材料打印的工业物件(图片来源:solidsmack)

9. peek

聚醚醚酮(peek)树脂是由上世纪70年代末发出来的一种具有超高性能的特种工程塑料。

peek与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势,耐高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能,在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。

在医疗领域,peek以其优异的性能和质量得到了众多医疗器械制造商和外科医生的认可,已经在脊柱、创伤和关节领域全面进入使用。peek和金属材料的植入体相比,其弹性模量和人骨弹性模量更接近,大大降低了由于金属材料和人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收、骨发炎、二次手术等问题,peek植入物的力学性能能够满足人体正常的生理需要,因此peek是一种良好的骨科植入物材料。

impossible objects 3d打印的peek碳纤维复合材料股骨柄植入物(图片来源:3d科学谷)

10. petg(共聚酯)

petg材料是一种透明塑料,具有良好的黏性、透明度、颜色、耐化学药剂和抗应力白化能力,可很快热成型或挤出吹塑成型,黏度比丙烯酸(亚克力)更好。其制品高度透明,抗冲击性能优异,特别适宜成型厚壁透明制品,使得petg在3d打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。

petg线材及其打印成品

11. pcl(聚己内酯)

pcl材料是一种可降解聚酯,熔点低,只有60℃左右。在3d打印中,由于它熔点低,所以并不需要很高的打印温度。

pcl具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性,被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系,可运用于组织工程,已经作为药物缓释系统。

利用pcl材料打印的玩具(图片来源:disney)

12. hips

hips即高抗冲聚苯乙烯,是全世界用于生产使用最多的高分子材料。因为它的强度、卫生、蓄热等特性,被广泛地应用在食品包装上。它外表白色且光亮并且被认为对人类和动物没有毒性。如下图所示,hips在柠檬烯中时可溶的,柠檬烯是一种无色伴有橘子味道的液烃。

hips的打印效果(图片来源:3ders.org)


除了以上所提到的材料之外,还有更多新型的适用于fdm技术的高分子材料。德国设计师kai parthy研制了一种名为laywoo-d3的3d打印耗材,是再生木与高分子黏结剂的产物,3d打印完成后手感接近实木,并散发出木头的味道;还有pva水溶性材料,用于支撑结构;还有深圳易生研发的变色耗材,当材料经过阳光或紫外光照射后,从无色变为有色;以及polymaker公司研发的polyflex柔性材料,打印的物品具有较高的柔性和回弹性。

材料的丰富和发展也是3d打印技术能否普及的关键。随着3d打印材料技术的不断更新迭代,相信会有越来越多的新型高分子材料登上3d打印的舞台。


transpin 3d打印机是畅德科技秉承:创新驱动发展,智造改变未来的研发理念,采用一体化闭环传动架构、工业级滚珠丝杆与直线导轨,以及工业级模块化打印喷头等创新核心技术研发生产销售的3d打印机。具有稳定性强、高效、打印精度高、连续打印时间长、可打印多种材料的三维模型等特点。最高层厚打印精度高达0.05mm, 可连续不间断打印200小时以上,并具有断电续保护、暂停更换耗材续打功能,支持多达12种成型材料,可打印pla/abs/碳纤维/尼龙/软胶/pc/pp/高透明p-glass/pteg/木线等材料。并采用全钣金机箱和铝合金机加件金属架构,全方位保障机器安全可靠运转及打印产品的质量,产品主要面向创客教育、工业设计、精准医疗、研发产品、模型制作等创新创业用户。

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