增材制造是计算机辅助设计、材料加工和成形技术的集成,以数字化模型文件为基础,通过软件和数控系统将特制材料逐层固化成型,从而制造出实体产品。不同于传统的加工模式,它将原材料切割、组装变成材料累加。这种新的技术特点,使得它受到全世界的广泛关注,可能会给传统的制造业带来深刻的变化。

 根据成型技术原理以及所使用材料的不同,增材制造技术可分为激光熔覆成型技术(LCF)、熔融沉积快速成型技术(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)、立体光固化技术(SLA)、三维印刷成型(3DP)等。在增材制造的各种工艺中,原材料对制品的成型和使用性能将起到决定性的影响,也是目前需要进一步突破的技术瓶颈。增材制造原材料根据材料的化学组成,可分为高分子材料、金属材料和陶瓷材料。该文分类综述了常见的增材制造原材料的研究现状。

1、增材制造高分子材料研究进展

 高分子材料是增材制造原材料中用量最大、应用范围最广、成型方式最多的材料,主要包括高分子丝材、光敏树脂及高分子粉末3种形式。

(1)高分子丝材,高分子丝材主要适用FDM技术,目前主要有聚乳酸(PLA)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环乙烷二甲醇酯(PETG)等。

 PLA是一种新型的可生物降解的热塑性树脂,利用从可再生的植物资料(如玉米)中提取的淀粉原料经发酵过程制成乳酸,再通过化学方法转化成聚乳酸。PLA最终能降解生成二氧化碳和水,不会对人体及环境带来危害,是一种环境友好型材料。此外,PLA还具有优良的力学性能、热塑性、成纤性、透明性和生物相容性,是起初使用得最好的原材料。但它也有缺点,主要表现在当温度超过50℃时会发生变形,甚至发生软化,这对使用者带来很大麻烦。台湾工业技术研究院开发了一种聚乳酸混合料,使用温度能达到100℃,使得PLA打印部件的精度得以提高。

 具有良好的绝缘性能、抗腐蚀性能、耐低温性能的ABS丝材,是FDM中最常用的热塑性工程塑料。闵玉勤等研究发现:ABS丝材除了具有表面易着色、耐冲击性能高、强度高、韧性好等优点外,还具有成型性能好、制品强度高、韧性好等优点。但也存在一些不足:制品易收缩变形,表面易发生层间剥离及翘曲等现象。仲伟虹研究发现:通过往ABS中加入短玻璃纤维,可以显著提高采用ABS树脂的硬度和强度,并降低收缩率,减少制品的变形量；将ABS溶解到丙酮中使用,或者采用发胶喷射能够避免制品表面发生卷曲现象。

 PC是分子链中含有碳酸酯基的一类聚合物总称,是一种性能优良的热塑性工程树脂,具有无味、无毒、强度高、抗冲击性能好、收缩率低等优点,此外还具有良好的阻燃特性和抗污染特性。PC丝材的强度比ABS丝材高出60%左右,具备超强的工程材料属性。但也存在以下不足:颜色较单一,只有白色;且一般都含有双酚A,而双酚A是一种致癌物质,在加热时会析出被人体吸收,影响人体代谢过程,尤其对婴幼儿的发育、免疫力危害更大。已有国内厂家选用德国拜耳公司的食品级PC原料制作,不含双酚A,可用于增材制造。

 作为所有热塑性材料中强度最高、耐热性最好、抗腐蚀性最强的PPSF丝材,也适用于FDM技术。Stratasys公司于2002年推出了适合FDM技术的工程塑料PPSF,其耐热温度为207℃～230℃,适合高温工作环境。在各种快速成型热塑性材料中,PPSF的耐热性、强韧性以及耐化学品性最好。PETG是最近才被应用于增材制造领域的一种新型聚酯,具有优异的光学性能、高光泽表面以及良好的注塑加工性能,此外还有无毒、环保等优良特性。它不仅能解决PLA丝材韧性不足的问题,还能克服ABS丝材易收缩、打印产品尺寸稳定性不佳等问题。目前国内外关于这个材料的研究报道还较少。

(2)光敏树脂,光敏树脂是指通过照射一定波长的紫外光即可引发聚合反应,从而实现固化的一类高分子材料。近年来增材制造技术风起云涌, 光敏树脂也逐渐走向大众市场。光敏树脂在SLA、DLP、3DP等成形技术上都有广泛的应用。与一般固化材料比较,光敏树脂有很好的表干性能,成型后表面平滑光洁,产品分辨率高,细节展示出色,质量甚至超过注塑产品。这些突出的优势令其成为高端、艺术类3D打印制品的首选材料。然而,目前光敏树脂成本依旧偏高,且机械强度、耐热和耐候性大多低于FDM用的工程塑料耗材,在一定程度影响了材料的应用范围。

 我国对光敏树脂的研究起步比较晚, 目前主要集中于SLA和DLP成形方面的应用,目前仍存在一些问题:如,制品颜色单一,需要在后期进行上色、组装等工序,制品制作周期较长。国外已有不少光敏树脂投入使用,如,DSM公司生产的Somos141200用于SLA成型系统的高速成型,替代传统的工程塑料ABS制作具有高强度、耐高温、防水等功能的零件。这类材料外观呈现为乳白色。与其他耐高温SLA材料不同的是,光敏树脂经过进一步高温加热后,会明显提高其拉伸强度,同时保持良好的断裂伸长率。从而能够理想地应用于汽车及航空等领域需要耐高温的重要部件上。而国内很少厂家能够生产可用于增材制造的光敏树脂,光敏树脂大量依靠进口,国内光敏树脂市场长期被DSＭ等外国公司垄断,售价极高,如,Somos141200售价高达2000元/kg。而一直处于陶瓷3D打印技术最前沿的美国Tethon3D公司所推出的Porcelite材料,是一种结合了陶瓷材料的光敏树脂,它既可以像其他光敏树脂一样,在SLA打印机中通过UV光固化工艺成型,又可以像陶坯那样放进窑炉里通过高温煅烧变成100%的瓷器。最重要的是,这样处理之后的成品不仅具有瓷器所特有的表面光泽度,而且还保持着光固化3D打印所赋予的高分辨率细节。因此,国内迫切需要研发出高性能的光敏树脂。

(3)高分子粉末,高分子粉末由于所需烧结能量小、烧结工艺简单、原型质量好,在SLS成型中被广泛应用。SLS成型要求高分子粉末具有粉末结块温度低、收缩小、内应力小、强度高、流动性好等特点。目前,常见的高分子粉末有聚苯乙烯、尼龙、尼龙与玻璃微球的混合物、聚碳酸酯、聚丙烯、蜡粉等。而一些热固性树脂比如,环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等由于具有强度高、耐火性好等优点,也适用于SLS成型工艺。国内对高分子粉末的研究报道的不多。徐林等通过研究不同铝粉含量的尼龙-12覆膜复合粉末SLS成型发现:“激光烧结成型后的尼龙与铝粉表面粘接良好,铝粉均匀分布在尼龙基体中,成形制品随着铝粉含量增加,弯曲强度和模量增加明显,但抗冲击强度会稍有下降。可通过提

高铝粉的含量抑制尼龙基体的收缩,从而提高烧结件的精度”。广东银禧科技公开了一项发明专利,通过深冷粉碎+气流筛选机分级工艺,制备了800～200目的聚丙烯粉末,这种粉末具有良好的烧结性能,型件具有较高的力学性能和尺寸精度。DTM公司的新产品DuraformGF材料,成型件精度更高,表面更光滑,可以制备一些用于防止渗漏的零件。EOS公司目前开发的PA3200GF型尼龙粉末材料,用其制作各种零件,有较好的精度和表面粗糙度。

更多3D打印材料研究现状，请阅读增材制造原材料发展现状介绍（二）