3D打印材料篇（下）——树脂、金属及陶瓷等材料简介

一、3D打印材料之光敏树脂、金属材料及其他材料

1.光敏树脂

1）光敏树脂简介

光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。

2）光敏树脂特性

用于SLA的光固化树脂和下面介绍的普通的光固化预聚物基本相同，但由于SLA所用的光源是单色光，不同于普通的紫外光，同时对固化速率又有更高的要求，因此用于SLA的光固化树脂一般应具有以下特性。

(1)黏度低。光固化是根据CAD模型，树脂一层层叠加成零件。当完成一层后，由于树脂表面张力大于固态树脂表面张力，液态树脂很难自动覆盖已固化的固态树脂的表面．必须借助自动刮板将树脂液面刮平涂覆一次，而且只有待液面流平后才能加工下一层。这就需要树脂有较低的黏度，以保证其较好的流平性，便于操作。现在树脂黏度一般要求在600 cp·s(30℃)以下。

(2)固化收缩小。液态树脂分子间的距离是范德华力作用距离，距离约为0.3～0.5 nm。固化后，分子发生了交联，形成网状结构分子间的距离转化为共价键距离，距离约为0.154 nm，显然固化前后分子间的距离减小。分子间发生一次加聚反应距离就要减小0.125～0.325 nm。虽然在化学变化过程中，C=C转变为C—C，键长略有增加，但对分子间作用距离变化的贡献是很小的。因此固化后必然出现体积收缩。同时，固化前后由无序变为较有序，也会出现体积收缩。收缩对成型模型十分不利，会产生内应力，容易引起模型零件变形，产生翘曲、开裂等，严重影响零件的精度。因此开发低收缩的树脂是目前SLA树脂面临的主要问题。

(3)固化速率快。一般成型时以每层厚度0.1～0.2 mm进行逐层固化，完成一个零件要固化百至数千层。因此，如果要在较短时问内制造出实体，固化速率是非常重要的。激光束对一个点进行曝光时问仅为微秒至毫秒的范围，几乎相当于所用光引发剂的激发态寿命。低固化速率不仅影响固化效果，同时也直接影响着成型机的工作效率，很难适用于商业生产。

(4)溶胀小。在模型成型过程中，液态树脂一直覆盖在已固化的部分工件上面，能够渗入到固化件内而使已经固化的树脂发生溶胀，造成零件尺寸发生增大。只有树脂溶胀小，才能保证模型的精度。

(5)高的光敏感性。由于SLA所用的是单色光，这就要求感光树脂与激光的波长必须匹配，即激光的波长尽可能在感光树脂的最大吸收波长附近。同时感光树脂的吸收波长范围应窄，这样可以保证只在激光照射的点上发生固化，从而提高零件的制作精度。

(6)固化程度高。可以减少后固化成型模型的收缩，从而减少后固化变形。

(7)湿态强度高。较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀、及层间剥离。

3）光敏树脂材料的组成

3D打印用光敏树脂和其他行业使用的光敏树脂基本一样是由以下几个组分构成。

（1）光敏预聚体

光敏预聚体是指可以进行光固化的低分子量的预聚体，其分子量通常在1 000～5 000之间。它是材料最终性能的决定因素。

（2）活性稀释剂

活性稀释剂主要是指含有环氧基团的低分子量环氧化合物，它们可以参加环氧树脂的固化反应，成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分。

（3）光引发剂和光敏剂

光引发剂和光敏剂都是在聚合过程中起促进引发聚合的作用，但两者又有明显区别，光引发剂在反应过程中起引发剂的作用，本身参与反应，反应过程中有消耗；而光敏剂则是起能量转移作用，相当于催化剂的作用，反应过程中无消耗。

2.金属

1）不锈钢

不锈钢是最廉价的金属打印材料，经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙，且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。

2）高温合金

高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素，目前已成为航空工业应用的主要3D打印材料。随着3D 打印技术的长期研究和进一步发展，3D打印制造的飞机零件因其加工的工时和成本优势已得到了广泛应用。

3） 钛

采用3D打印技术制造的钛合金零部件，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。钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

4） 镁铝合金

镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了大量应用。在3D打印技术中，它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。

5） 镓

镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料，它具有金属导电性，其黏度类似于水。不同于汞(Hg)，镓既不含毒性，也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品，液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

6） 镓-铟合金

科学家利用镓(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，这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。

7） 钴

可3D打印的钴铬钼合金有多种，它们常表现出高强度、高硬度、耐腐蚀和高温等性能。钴经常与铬、钨等元素组合来制作重型切割工具或冲模，也与磁性不锈钢一起用于喷气机或燃气轮机零部件。

8） 镍

Inconel 718、Inconel 625、HX（都是由镍、铬元素组成）是最常用的3D打印镍基合金。这些材料耐高温、耐氧化、耐腐蚀，在高达1200℃环境下仍表现出高强度。捏脊合金零件的焊接性能优秀，可通过后期热处理进一步提高强度。这些材料被应用于航空和赛车行业，尤其是有显著高温和氧化风险的环境下，比如燃烧室和风扇。在高温环境下，尽管Inconel 625比718的耐腐蚀性和稳定性更高，但后者的强度和传导性是前者的两倍。三种材料中哈氏合金的焊接性能可能是最好的。

9） 铜

铜在3D打印行业的应用并不常见，但仍有一些公司在为粉末床熔融工艺开发铜合金粉末。此外，DED工艺可能已将铜用于焊接行业。和银相比，铜的美学价值和硬度更高，这种材料可应用于珠宝和工艺品。铜也应用于航空领域。

10) 贵金属

3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的似乎就是将3D打印快速原型技术作为一种强大，且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银等。

11）难熔金属

难熔金属种类比较少，包括铌、钼、钽、钨、铼，它们以极高的耐热性能而出名。它们的熔点都超过2000℃，化学反应不活泼，密度大，硬度高。钽有高耐腐蚀性、传导能力非常好，这在电子行业非常有意义。根据洛斯阿拉莫斯国家实验室研究，这种材料60%用于真空炉零件和电解电容器。理论上，钽可以提高核微粒的放射性。纯净钨的熔点比任何元素都高，高达3422℃。这种金属密度很高，难以加工，但其稳定性适用于耐磨产品，如刀、钻头、磨、锯子等。钨的耐氧化、耐酸碱性能也很好，可用于辐射屏蔽。

Global Tungsten & Powders（GTP）是为数不多生产钨、碳化钨、钼粉末的公司之一，只销售已成功打印的粉末。GTP公司研发经理Rick Morgan解释了其公司制粉工艺："GTP公司是垂直一体化的，它有能力开采钨矿砂，并进行化学提存，可制备钨粉和碳化钨粉，可通过钴喷雾干燥它，可对其球化处理以适应3D打印工艺。"

ExOne公司为其粘结剂喷射工艺提供可粘结钨粉。该公司推出该材料来代替铅制造医疗器械和航空零件，因为铅的毒性更高。GTP的碳化钨钴材料已被ExOne公司成功应用，该公司已开发出脱脂/烧结方案来保证致密度。

3.高分子凝胶

高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料；凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料；凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料。

4.陶瓷材料

硅酸铝陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷产品，一般呈粉末状，通常用于选择性激光烧结（SLS）打印机。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比，会直接影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多，烧结比较容易，但在后续工艺过程中部件收缩比较大，会影响部件的尺寸精度。粘结剂份量少，则不易烧结成形。

陶瓷材料具有高强度、耐高温和耐腐蚀等优点，具有应用于航空航天和汽车等领域的潜能。同时，陶瓷材料可以选择的颜色大量，可打印出形态逼真、色彩丰富的产品，是工艺品、建筑和卫浴产品的理想选择。