3D打印技術有3DP 技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光（guāng）燒結、DLP激光（guāng）成型（xíng）技術和UV紫外線（xiàn）成型（xíng）技（jì）術，技術不同所用材料則完全不同，與我（wǒ）們普通人和家庭所應用的最為普遍的（de）是FDM3D打印（yìn）技術，這種技術可以（yǐ）進入到（dào）家庭，操作簡單，所用材料普遍易得，這種技術打印出產（chǎn）品也接近我們的生活（huó）用品，所用的材料主要是環保高分子材料（liào），如：PLA、PCL PHA  PBS   PA　ABS  PC  PS　POM　PVC,一般我們老百姓日常在家庭（tíng）中所使用材料應考慮安全第一原則，所選材料（liào）要環保，如PLA、PCL PHA  PBS   生物（wù）PA，而ABS  PC  PS　POM　PVC等不適於用於家庭（tíng）應用（yòng），因為這種技術是一般是在桌麵上打印，熔融的高分子材料所產生（shēng）的氣味或是（shì）分（fèn）解產生有害（hài）物質直接與我們的人和家（jiā）庭成員接觸，容易（yì）造（zào）成安全問題，所以在家庭使用時（shí）一般（bān）建議用生物材料合（hé）成的高（gāo）分子材料。工業零件等需要有一（yī）定強度功能（néng）的製件可以選擇（zé）相適（shì）應的材料。

一、 3D打印（yìn）材料分類

1. 按材料（liào）的物理狀態（tài）分（fèn）類

         可以分為（wéi）液體（tǐ）材料（liào）、薄（báo）片材料、粉末材料、絲狀材料等。

2. 按材料的化（huà）學性能分類

         按材料的化學性（xìng）能（néng）不同又可分為樹脂類材料、石（shí）蠟材料、金屬材料、陶瓷材料及其複合材料等。

3. 按材料成型方法分類

         按成型方法（fǎ）的不同可以分為：SLA材（cái）料、LOM材料、SLS材料、FDM材料（liào）等（děng）。

液態（tài）材料：SLA，光敏樹（shù）脂

固（gù）態粉末：SLS

          非金屬（蠟粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉，覆膜砂等）

          金屬粉（覆膜金屬粉）

固態片材：LOM

          紙，塑料（liào），陶瓷箔（bó），金屬鉑+粘結劑

固態絲材：FDM

          蠟絲，ABS絲等

 

二、 3D打印材（cái）料基本性能

1. 3D打印對材料性能的一般要求：

  有利於（yú）快（kuài）速、精確地加工原型零件；

  快速（sù）成型製件應當接近最終要求，應盡量滿足對強度、剛度（dù）、耐（nài）潮濕性、熱穩定性能等的要（yào）求；

   應該有利於後續處理（lǐ）工藝。

 

2. 不同（tóng）應（yīng）用目標對材料性能的要（yào）求：

  3D打印的（de）四個應（yīng）用目標：概念型、測試型、模具型、功能零件，對成（chéng）型（xíng）材料的（de）要求（qiú）也不同。

  概念型對材料成型精度和物理化學（xué）特性要求不高，主要要求成（chéng）型（xíng）速度快。如對光敏樹脂，要求較低的臨界曝（pù）光功率、較大的穿透深度和較低的（de）粘度。

  測試型對於成型後的強度、剛（gāng）度、耐溫性、抗蝕性能（néng）等有一定要（yào）求，以滿足測試要求。如果（guǒ）用於裝配測試，則（zé）要求成型件有一定的精度要求。

  模具型要求材料適應具體（tǐ）模具製造要求，如強度、硬度。如（rú）對於消失模鑄造用原型，要求材料易於去除，燒蝕後殘留少、灰分少。

  功能零件則要求材料具有較（jiào）好（hǎo）的力（lì）學和化學（xué）性能。

 

 

三、3D打印光固化成型材料

1、3D打印光固（gù）化材（cái）料的應用

 製作各種樹脂樣品或功能件，用作（zuò）結（jié）構驗證和功能測試；

 製（zhì）作精細零件；

 製作（zuò）有透明效果的製件；

 快速模具的母模，翻製各種快速模具；

 代替熔模精密鑄造中的消失模用來（lái）生產金屬零件。

 

 

2、光固化成形樹（shù）脂需具備的特性（xìng）

 粘度低（dī），利於成（chéng）型樹（shù）脂較快流平，便於快速成型。

 固化（huà）收縮小，固化收縮導致零件變形、翹曲（qǔ）、開裂等（děng），影響成型零（líng）件的精（jīng）度，低收（shōu）縮性樹脂有利於成型出高精度

零（líng）件

 濕態強（qiáng）度高（gāo），較高的濕態強（qiáng）度可以（yǐ）保證後固化過程不產生變形、膨脹及（jí）層間剝離。

 溶漲小，濕態成型件在液態樹脂中（zhōng）的溶漲造成零件尺寸偏大；

 雜（zá）質少，固化過程中沒有氣味，毒性小，有利於操作環境。

 

 

3、光固化成形樹脂的組成及固化機理

        應用於SLA技（jì）術的光敏樹脂，通常由兩部分組成，即（jí）光引發劑和樹脂，其中樹脂（zhī）由預聚（jù）物、稀釋劑（jì）及少量助（zhù）劑組成。 

        當光敏樹脂中的光引發劑被（bèi）光源(特定波（bō）長的紫外光（guāng）或激（jī）光) 照（zhào）射吸收能量時，會產生自由基或陽離子，自由基

 

    或（huò）陽離子使單體和活性齊聚物活（huó）化，從而發生交聯反應（yīng）而生成高分子固化物。

4、SLA樹脂的收縮變形（xíng）

         樹脂在固化過程中都會發生收縮，通常線收縮率約為3%。從高分子化學角度講，光敏樹脂的固化過程是從短的（de）

 

小分子體向長鏈大分子聚合體（tǐ）轉變（biàn）的（de）過程，其分子結構發生很大變化，因（yīn）此，固化過程中的收縮是（shì）必然的。

        從高分子物理學方麵（miàn）來解釋，處於液體狀（zhuàng）態的小分（fèn）子之間為範德華作用力距離，而固體態的聚（jù）合物，其結構單

元之間（jiān）處於共價鍵距離，共（gòng）價鍵距離遠小於範德華力的距離，所（suǒ）以液態預聚物固化變成固態聚合（hé）物時，必然會導致零件的（de）體積收縮。

5、SLA的後固化

        盡管（guǎn）樹脂在激光掃描過程中已經發生聚合反應，但隻是完成部分聚合作用，零件中還有部分處於液態（tài）的殘餘樹脂未固化或未完全固化（掃描過程中完成部分固化（huà），避免完全固化引（yǐn）起的變（biàn）形） ，零件的部分強度也是在後（hòu）固化過程中獲得的（de），因此，後固化處理對完成零件內部樹脂的聚合，提高（gāo）零件最終（zhōng）力學強度是必不可少的。後固化時，零件內未固化樹脂發生聚（jù）合反應，體積收縮產生均勻或不均勻形變。

與掃描過程中變形不同的是，由於（yú）完成掃描之後的零（líng）件是由一定間距的層內掃描（miáo）線相互粘結的薄（báo）層疊加（jiā）而成，線與線之間、麵與麵之間既有未固（gù）化的樹脂，相互之間（jiān）又存在（zài）收縮應力和（hé）約束，以及從加工溫度(一般（bān）高於室溫) 冷卻到（dào）室（shì）溫引起的溫度應力（lì），這些因素都會產生後固化變形。但已經固化部分對（duì）後固化（huà）變形有約束作用，減緩了後固化變形。

        零件（jiàn）在後固（gù）化過程中也要產生（shēng）變形，實驗測得零件後固化收縮占總（zǒng）收縮量的30%~40%。

6、SLA材料的（de）發展

（1） SLA複合材料（liào）

        SLA光（guāng）固化樹脂中加入納米陶瓷粉末、短（duǎn）纖維等，可改變材料強度、耐（nài）熱性能等，改變其用途，目前已經有可直接用作工具的光固化樹脂；

（2） SLA作為載體

        SLA光固化零件（jiàn）作為（wéi）殼體，其中填加（jiā）功能性材料，如生物活（huó）性物質，高溫（wēn）下，將SLA燒蝕，製造功能零件。

（3） 其它（tā）特殊性能零件，如橡膠彈性（xìng）材料。

 

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四、3D打印粉末燒結成型材料

理論上講（jiǎng），所有受熱後能相互粘結的粉末材料或（huò）表麵覆有熱塑（sù）（固）性粘結劑的粉末材（cái）料都能用作SLS材料。

        但（dàn）要真正適（shì）合SLS燒結，要求粉末材料有良好（hǎo）的熱塑（固（gù））性，一定的導熱（rè）性，粉（fěn）末經激光燒結後（hòu）要有一定的粘結強（qiáng）度；粉末材料的粒度不（bú）宜過大，否則會降低成型件質量；而且SLS材料還應有（yǒu）較窄的“軟化-固化”溫度範圍，該溫度範圍（wéi）較大時，製件的精度會（huì）受影響。

大（dà）體來講，3D打印激光（guāng）燒結成型工藝對（duì）成型材（cái）料的基本要求是：

 具有良好的燒結性能，無需特殊工藝即可快速精確地成型原型；

 對於直接用作功能零件或模具的原型，機械性能和物理性能（強度、剛性、熱穩（wěn）定（dìng）性、導熱性及加工性能）要滿足使用要求；

 當原型間接使（shǐ）用時，要有利於快（kuài）速方便（biàn）的後續（xù）處理和加工工序，即與後續工（gōng）藝的接口性要好。

1、蠟粉（fěn）

（1）用途：燒結製作蠟型，精密鑄造金屬（shǔ）零件。

（2） 傳統的（de）熔（róng）模精鑄用蠟（烷烴蠟、脂肪酸蠟等），其熔點較低，在60℃左右，燒熔時間短，燒熔後（hòu）沒（méi）有殘留物，對熔模鑄造的適應性好，且成本低廉。

（3）但存在以（yǐ）下（xià）缺點（diǎn）：

 對溫度敏感，燒結時熔融流動性大，使成型不易（yì）控製；

 成型精度差，蠟模尺寸誤差為±0.25mm；

 蠟模強度較低（dī），難以滿（mǎn）足具有精細、複雜結構鑄件的要求；

 粉末的製備十分困難。   

2、聚（jù）苯乙烯(PS)、聚碳酸酯、工程塑料（liào）(ABS) 

（1）特點：

        聚苯乙烯(PS)屬於熱塑（sù）性樹脂，熔融溫度100℃，受熱後（hòu）可熔化（huà）、粘（zhān）結，冷卻後（hòu）可以固化成型，而且該（gāi）材料吸濕率很小，僅為0.05%，收縮率也較小，其粉料經過（guò）改性（xìng）後，即可作為激光燒結成型用材料。

（2）用（yòng）途：

        燒結成型件經不同（tóng）的後處理工藝具有以（yǐ）下（xià）功能：第一，結（jié）合（hé）浸樹脂（zhī）工藝，進一步（bù）提高（gāo）其強度，可（kě）作為（wéi）原型件及功（gōng）能零件。第二（èr）、經浸蠟後處理，可作為精鑄蠟模使用，通過熔模精密鑄造，生產金屬鑄件。

3、尼龍粉末（PA）

（1）用途：

            粉末粒徑小，製作模（mó）型（xíng）精度高，用於（yú）CAD數據驗證；因為具有足夠的強度（dù）可以進行功（gōng）能驗（yàn）證。

（2）特點（diǎn）：

           燒結溫度—粉（fěn）末（mò）熔融溫度180℃；            

           燒結製件不需要特殊（shū）的後處（chù）理，即可（kě）以具有49MPa的抗拉伸強度。

（3）其它：尼龍粉末燒（shāo）結快速成型過程中，需要較高的（de）預熱溫度，需要保護氣氛（fēn），設備性能要求高。

4、覆膜砂（shā）粉末、覆膜陶瓷粉末材料

（1）覆膜砂    與鑄造用覆膜砂類似，采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂包覆鋯砂(ZrO2)、石英（yīng）砂(SiO2)的方法製得。利用激光燒結方法，製得的原型可以直接當作鑄造用砂型（芯（xīn））來製造金屬鑄件，其中鋯砂具有更好（hǎo）的鑄造性（xìng）能，尤其適（shì）合於具有複雜形狀的（de）有色合金鑄件，如（rú）鎂、鋁等合金的鑄造。

 材料成分：包覆（fù）酚醛樹脂的石英砂或鋯（gào）砂，粒度160目以上；

 應用：用於製造砂型鑄（zhù）造的石英或鋯（gào）型（芯）；

 應用實（shí）例：砂型鑄造及型芯的製作，適用於單件、小批量砂型鑄造（zào）金屬鑄（zhù）件（jiàn）的生產，尤其適（shì）合用於傳統（tǒng）製造技（jì）術難以實現的金屬鑄件。

（2）覆膜陶瓷粉  

              與覆膜砂（shā）的製作過程類似，被包覆陶（táo）瓷粉（fěn）可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光燒結快（kuài）速成型後，結合後處理工藝，包括脫脂及高溫燒結，可以（yǐ）快捷（jié）地製造精密鑄造（zào）用型殼（ké），進而澆注金屬零件。

             也可以直接製造工程陶瓷製（zhì）件，燒結後再經熱等靜壓處理，零件最後相對密度高達99.9%，可用於含（hán）油軸承等耐磨、耐（nài）熱（rè）陶瓷零（líng）件。

5、金屬粉末

        用SLS 製造金（jīn）屬功能件（jiàn）的方法有（yǒu）間接法和直接法，其中間接法速度較（jiào）快，精度較高，技術（shù）最成熟，應用最廣泛。

5.1 間接燒結成型：

（1）間接燒結成型的原理。用（yòng）高分子聚合物作為粘結劑。由（yóu）於聚合物（wù）軟化溫度較低（dī），熱塑性（xìng）較好及粘度低，采用包覆製作工藝，將聚合物包覆在金屬粉（fěn）末表麵，或者將（jiāng）其與金屬粉末材（cái）料以某種形式混在一起，在用SLS成型時，激（jī）光加熱使聚合（hé）物（wù）成為熔融態，流（liú）入金屬（shǔ）粉粒間，將金屬粉末粘結在一起（qǐ）而成型。在成型的坯件(green part) 中，既有金屬（shǔ）成分，又有聚合（hé）物成分。坯件（jiàn）還需要進行熱降解、二（èr）次燒結和滲金屬後處理，才能成為純金屬件。

 

間接法使用的材料中，結構材料是金（jīn）屬，主要（yào）是不鏽鋼和鎳（niè）粉，聚（jù）合物主要是熱（rè）塑性材料。

熱塑性聚合物材料有兩類，一類是無定型（xíng），另一類是結晶型（xíng）。無定型材料（liào）分子鏈上分子的排列是無序的，如PC材料；結（jié）晶型材料分子鏈上分子的排列是有序的（de），如尼龍(nylon) 材料。這兩種熱（rè）塑性聚合（hé）物都可以用來作SLS材料中的粘結劑。

由於無定型材料和結晶型（xíng）材料各有不同的熱特性，因此也決定了SLS工藝參數的不同。 

 

聚合（hé）物（wù）在成型材料中主要以兩種形式存在，一種是聚合物粉末與金屬粉末的機械混合物（wù），另一種是聚合物均勻地覆在金屬粉粒（lì）的表麵。將（jiāng）聚合（hé）物覆蓋在（zài）金屬粉末表麵的（de）方（fāng）法有多種（zhǒng），如可（kě）將熱（rè）塑性材料製成溶液，稀釋後（hòu）與粉末混合，攪拌，然（rán）後（hòu）幹（gàn）燥；還可將聚合物加熱熔化（huà），以霧（wù）狀噴出，覆在粉粒表（biǎo）麵。

在聚合物和金屬粉末（mò）質（zhì）量分數相同的情況下，覆層粉末燒結後的強度要（yào）高於機械混合的材（cái）料。

目前，應用最多的成型材料主要是覆層金屬粉末。

 

（2）間接法燒（shāo）結成型工藝

 激光燒結。

             工藝參數：激光功率、掃描速度（dù）、掃描間距、粉末預（yù）熱溫度（dù）。

 後處理工藝。

             成型坯件必須進（jìn）行後處理才能成為密實的金屬功能件。後處理一般有三步：降解聚合物、二次燒結和滲金屬。這三個階段可以在（zài）同一個加熱爐中進（jìn）行，保護氣氛為（wéi）30%的氫氣（qì），70%的氮（dàn）氣。 

 

 降（jiàng）解聚合物

                降解加熱在兩個不同溫度的保溫階段完成，先將坯件加熱到350℃，保溫5h，然後再升（shēng）溫（wēn）到450℃，保溫4h。在這兩個溫度（dù）段，聚合物都（dōu）發生（shēng）分解，其產物是多種氣體，通過加熱爐上的（de）抽風係（xì）統將其去除。通過降解，98 %以上的聚合物被去除（chú）。

 二（èr）次燒結

                當（dāng）聚合物大部分被降解後，金屬（shǔ）粉粒間隻靠殘餘的一點聚合物和金屬粉末間（jiān）的摩擦力來（lái）保持，這個（gè）力是很（hěn）小的。要保（bǎo）持（chí）形狀，必須在金屬（shǔ）粉粒間建（jiàn）立新的聯係，這就是將坯件加熱到更高溫度，通過擴散來建立聯結。加熱溫度根據材料確定，對（duì）RapidSteel110，加熱到約1000℃，保溫8h。

 

 滲金屬

                二次燒結後的成型件是多孔體，強度也不高（gāo），提高強度的方法就是滲金屬。熔點較低（dī）的金屬熔化後，在毛細（xì）力或重力的作用下，通過成型件內相互連通的孔洞，填滿成（chéng）型（xíng）件（jiàn）內的所有空隙，使（shǐ）成型件成為密（mì）實的金屬件。滲金屬在可控氣氛或真空中進行。在可控氣氛（fēn）中（zhōng），必須使滲入金屬單向流動，這樣可讓連通孔隙中的空氣離（lí）開成型件（jiàn）；如多方向滲（shèn）入（rù），會將成型件中的氣體封在體內，形成氣孔而（ér）削弱強度。如果將成型件置（zhì）於真空室內滲（shèn）金屬，由於成型件內（nèi）沒有空氣存在，可（kě）將成型件浸入液（yè）態金屬中，金屬液體從四周同（tóng）時滲入，滲入速度快，時間短。

 

 

（3）間接燒結快速成型零件工藝特點

             用SLS係統間接成型金（jīn）屬（shǔ）件，其（qí）成型（xíng）速度較快，可製造形狀複雜的金屬件，主要用來快速製造注塑模和壓鑄模。間接法製造（zào）金屬件的缺點是（shì）製件的精度有限，由（yóu）於在降解和二次燒結過程（chéng）之中存在體積的收縮，補（bǔ）償的作用（yòng）有限；還有後處理時間比較長。

            為解（jiě）決這些（xiē）問題，在以下兩方麵進（jìn）行研究：改進粘結劑，滲入（rù）非金屬材料，取消降解和二次燒結過程，使坯件不通過加熱，這（zhè）樣（yàng）的成型件具有高的精（jīng）度，製造周期短，成本低，可滿足使（shǐ）用壽命短的模具要（yào）求。 

 

5.2 直接燒結成型（xíng）

         和間接燒結成型相比，直接燒結成型過程（chéng）明顯縮短，無需間接燒結時複雜的（de）後處理（lǐ）階段。但必須有較大功率的激光器，以保證直接燒（shāo）結過程中金屬粉末的（de）直接熔（róng）化。

        因而，直接燒結中激光參數的選擇（zé），被燒結金屬粉末材料的熔凝過程控製是燒結成型中的關鍵。激（jī）光功率是激光直接燒結工藝中的一個重要影響因素。功率越高，激光作用範圍內能（néng）量密度越高，材料熔化越充分，同時燒結過程中（zhōng）參與熔化的（de）材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大，粉末燒結固化後（hòu）易生成凸凹不平的燒結層麵，激光功率高到一定程度（dù），激光作用（yòng）區內粉末材料急劇升溫，能量來不及擴散（sàn），易造成部分（fèn）材料（liào）甚至不（bú）經（jīng）過熔（róng）化階段直接汽化，產生金（jīn）屬蒸汽。在激光作用下該部分金屬蒸汽與粉末材料中的空氣一道在激光作用區內匯聚、膨（péng）脹、爆破，形成劇烈的燒結飛濺現象，帶走熔（róng）池內及周邊大量金屬，形成不連續表麵，嚴重影響燒結工藝的進行，甚至導致燒結無法繼續進行。同時飛濺產物也容易造成燒結過程的（de）“夾雜”。

 

 

光斑直（zhí）徑是激光燒結工藝的另外一個重要影響因素。總的來說，在滿足燒結基本條件的前提下，光斑直徑越小，熔池的尺寸也就可（kě）以控製得越（yuè）小，越易在燒結過程中形成致密、精細、均勻一致的微觀組織。同時，光斑越細，越容易得到（dào）精度較好（hǎo）的三維空間結構，但是光斑直（zhí）徑的減小，預示著激光作用（yòng）區內能量密度（dù）的提高，光斑直徑過小，易（yì）引起上述（shù）燒結飛濺現象。

掃（sǎo）描間隔是選擇性激光燒結工藝的又一個重要影響因素，它的合理選擇對形成較好（hǎo）的層麵質量（liàng）與層間結合，提高燒結效（xiào）率（lǜ）均有直接影響。同間接工藝一樣，合理的掃描間隔應保（bǎo）證燒結線間、層麵間有適（shì）當重疊（dié）。

 

 

五、3D打印熔融沉積（jī）材料

FDM材料可以是絲（sī）狀熱塑性材（cái）料，常用的有蠟、塑料、尼龍絲等。首先，FDM材料要有良好的成絲性；其次，由於FDM過程中絲材要經受“固（gù）態-液態（tài）-固態”的轉變，故要（yào）求FDM在相變過程中有良好的化學穩定性，且FDM材料（liào）要有較小的收縮（suō）性。

對（duì）於氣壓式（shì）FDM設備，材料可以不要求是絲狀，可以是多種成分的複合材料。

 

 1、ABS塑料絲（sī）

      適用於料絲自加壓式送絲噴頭結構和螺旋擠壓式送（sòng）絲噴頭。

 

 

2、熔融材料

      各種可以熔融材料，如蠟、塑料等，適用於（yú）加（jiā）壓融化罐。

      熔融擠壓噴頭工作原理如：

      將所使用熱塑性成（chéng）型材料裝入熔化罐中，利用熔化罐外壁的加熱圈（quān）對其（qí）加熱熔化呈熔融狀態，然後將壓縮機產生的壓（yā）縮空氣導入熔化罐中（zhōng），氣體壓力作用在熔融材料的表（biǎo）麵上（shàng）迫使材料從下方噴嘴擠出。

 

FDM係統價格和技術成本低，體積小，無汙染，能直接做（zuò）出（chū）ABS製件，但生產效率低，精度（dù）不高，最終輪廓（kuò）形（xíng）狀受到限製。

FDM的工藝特（tè）點，可以製作複合材料（liào）的快速成型製件，如磁性材料和（hé）塑料粉末經過FDM噴頭成型特殊形狀的磁性體，可以實現各（gè）向（xiàng）異性，各層異性，不同區域不同性能。這是模具成型所（suǒ）不能實現的。

 

 

六、疊層製造快速成（chéng）型材料

LOM原型一般由薄片材料和粘結劑（jì）兩部分組成，薄片材料根（gēn）據對（duì）原型性能要求的不同可分為：紙、塑料薄膜、金屬鉑等。對於薄片材料要求厚薄均勻，力學性能良（liáng）好（hǎo）並與粘結劑有較（jiào）好的（de）塗（tú）掛性和（hé）粘結能力。用（yòng）於LOM的粘（zhān）結劑通常為加有某些特殊添加劑組分的（de）熱熔膠。

         LOM技術成型速度（dù）快，製造成本（běn）低，成型時無需特意設計支撐，材料價格也較低。但薄壁件、細柱狀件的剝離比較困難，而且由於材料薄膜厚度有限（xiàn）製，製件表麵粗糙，需要繁（fán）瑣的後處理過程。