3D打印技（jì）術有3DP 技術、FDM熔（róng）融（róng）層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光燒結、DLP激光成型技術和UV紫外線成型（xíng）技術，技術不同所用材料則完全（quán）不同（tóng），與（yǔ）我們普通人和家庭所應用的最為普遍的（de）是FDM3D打印技術（shù），這種技術可以進入到家庭，操作簡單，所（suǒ）用材料普遍易得，這種技術（shù）打印出產品也接近我們的生活用品，所用的材料主要是環（huán）保高分子材（cái）料，如：PLA、PCL PHA  PBS   PA　ABS  PC  PS　POM　PVC,一般我們老百姓日常在家庭中所使用材料應考慮安全（quán）第一原則，所選材料要（yào）環保，如（rú）PLA、PCL PHA  PBS   生物PA，而ABS  PC  PS　POM　PVC等不適於用於家庭應用，因為這種技術是一般是在桌麵上打印，熔（róng）融的高分子材料所（suǒ）產生的氣味或（huò）是分（fèn）解產生有害物質直（zhí）接與我們的人和家庭成員接（jiē）觸，容易造成（chéng）安全問題，所以在家庭使用時一般建議用（yòng）生物材料合成的高分（fèn）子材料。工業（yè）零件等需要有一定強度功能（néng）的製件可以選擇（zé）相適應（yīng）的材料。

一、 3D打印材（cái）料分類

1. 按材料的物理狀（zhuàng）態分類（lèi）

         可以分為液體材料、薄片材（cái）料、粉末（mò）材料、絲狀材料等。

2. 按材料的化學性能分類（lèi）

         按材料的化學性能不同又可分為樹脂類（lèi）材料、石蠟材料（liào）、金屬材料、陶瓷材（cái）料及其複合材料等。

3. 按材料成型方法分類

         按成型方法的不同可以（yǐ）分為：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料等。

液（yè）態材料：SLA，光敏樹脂（zhī）

固態粉末：SLS

          非金屬（蠟粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉，覆膜砂等）

          金屬（shǔ）粉（覆膜金屬粉）

固態片材：LOM

          紙，塑料，陶瓷箔，金（jīn）屬鉑+粘結（jié）劑

固態絲（sī）材：FDM

          蠟絲，ABS絲等（děng）

 

二、 3D打印材料基本性能

1. 3D打印對材料性（xìng）能的一般要求：

  有利於快速、精確地加工原（yuán）型零件；

  快速成型製件應當接近最終要求，應（yīng）盡量滿足（zú）對強度、剛度、耐潮濕性、熱穩（wěn）定性能等的要求（qiú）；

   應該有利於後續處理工（gōng）藝。

 

2. 不同應用目標對材料性能的要（yào）求：

  3D打印的四個應用目標：概念型、測（cè）試型、模具型、功能零件，對成型材料的要求也不同。

  概念型對材料成型精（jīng）度和物理化（huà）學特性要求不高，主要要求成型速度快。如對（duì）光（guāng）敏樹（shù）脂，要求較低的臨界曝光功率、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、剛度、耐溫性、抗蝕性能等有一定（dìng）要求，以滿（mǎn）足測試要求。如果用於裝配測試，則（zé）要求成型件有（yǒu）一定的精度要求。

  模具型要求材料適應具體模具製造要求，如強度、硬度。如對於消失模鑄造用原（yuán）型（xíng），要求（qiú）材料易（yì）於去除，燒蝕後殘留少、灰（huī）分少。

  功能零件則要求材料具有較好的力學和化學性能。

 

 

三、3D打印光固化（huà）成型材料

1、3D打印光固化材（cái）料的應用

 製作各種（zhǒng）樹脂樣品或功能件，用作結構驗證和功能測試；

 製作精細零件；

 製作有（yǒu）透明效果的製件；

 快速模具的母模，翻製各種快速（sù）模具；

 代替熔模精密鑄造（zào）中的消失模用來（lái）生（shēng）產金屬零件。

 

 

2、光固化成形樹脂需具備的特性

 粘度低，利（lì）於成型（xíng）樹脂較（jiào）快（kuài）流平，便於快速成型（xíng）。

 固化收縮小，固化收縮導致零件變形、翹曲、開裂等，影響成（chéng）型（xíng）零件的精度，低收縮性樹脂（zhī）有利（lì）於成（chéng）型出高精度

零件

 濕態強度高，較高的濕態強度可以保（bǎo）證後固化過程不產生變形、膨（péng）脹及層間剝離。

 溶漲小，濕態成型件在液（yè）態樹（shù）脂中（zhōng）的（de）溶漲造成零件尺寸偏大；

 雜質少，固化過程中沒（méi）有氣味，毒（dú）性小，有利於操作環（huán）境。

 

 

3、光固化成形樹脂的組成及固化機理

        應用於SLA技術的光敏樹脂，通常由兩部分組成，即光（guāng）引發劑和樹脂，其中樹（shù）脂由預聚物、稀（xī）釋劑（jì）及少（shǎo）量助劑組成。 

        當光敏樹脂中的光引發劑被光源(特定波長的紫外光或激光) 照射吸收能量時，會產生自由基或陽（yáng）離子，自由基

 

    或陽離子使（shǐ）單體和活性齊聚物活化（huà），從而發生交聯反應而生成高分子固化物。

4、SLA樹（shù）脂的收縮變形

         樹脂在固化過程（chéng）中都會（huì）發生（shēng）收（shōu）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（gù）化過程是從短的

 

小分子體（tǐ）向長鏈大分子聚合體轉變的過（guò）程，其分子結（jié）構（gòu）發生很大變化（huà），因此，固化過程中的收縮是必（bì）然的（de）。

        從高分子物理學方麵來（lái）解釋，處於（yú）液體狀態的小分子之間為範德華作（zuò）用力距離，而（ér）固體態的聚合物，其結（jié）構單

元之間處於共價鍵距離，共價鍵距離遠小於範德華力的（de）距離，所以液態預聚物固化變成固態聚合物時（shí），必然會導（dǎo）致零件的體積收縮。

5、SLA的後（hòu）固化

        盡管樹脂在激光掃描過（guò）程中（zhōng）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的（de）殘（cán）餘樹脂未固（gù）化或未完全固化（掃（sǎo）描過程中完成部分固化，避免完全固化（huà）引起的變形（xíng）） ，零件的部分強度也是在後固化過程中獲得的，因（yīn）此（cǐ），後固（gù）化處理對完成零件內部樹脂的聚（jù）合，提高零件（jiàn）最終力（lì）學強度是必不可少（shǎo）的。後固化時，零件內（nèi）未固化樹脂（zhī）發生聚合反應，體積收縮產生均勻或不均勻（yún）形變。

與掃描（miáo）過程中變形不同的（de）是，由於完成掃描（miáo）之後的零件是由一（yī）定間距的層內掃描線相互粘結的薄層（céng）疊加（jiā）而成，線與線之間、麵與麵之（zhī）間既有（yǒu）未固化的樹脂，相互之間又存在收縮（suō）應力和約束，以及從加（jiā）工溫度(一（yī）般（bān）高於室溫) 冷卻到室溫（wēn）引起的溫度應力，這些因素都會產生（shēng）後固化變形。但已（yǐ）經固化部分對後固化變形有約束作用，減（jiǎn）緩了後固化變（biàn）形。

        零件在後固化過程中也要產生變形（xíng），實驗測得零件後固化收縮占總收縮量的（de）30%~40%。

6、SLA材料的發展（zhǎn）

（1） SLA複合材料

        SLA光固化樹（shù）脂中加入納米陶瓷粉末、短纖維等，可改變材料（liào）強度、耐熱（rè）性（xìng）能等，改變其用途，目（mù）前已經有可直（zhí）接用作工具的光固化樹脂（zhī）；

（2） SLA作為載（zǎi）體

        SLA光（guāng）固化零件作為殼（ké）體，其中填加功能性材料，如生物活（huó）性物質（zhì），高溫下，將SLA燒蝕，製造功能（néng）零件。

（3） 其它特殊性能零件，如橡膠彈性材料。

 

更多3D打印（yìn）材料，可以訪問南極熊（xióng）3D打（dǎ）印網材（cái）料專版http://www.nanjixiong.com/forum-43-1.html

四、3D打印粉末燒結成型材料

理論上講（jiǎng），所有受（shòu）熱後能（néng）相互粘結的粉（fěn）末材料或表麵覆有熱塑（固）性粘結劑的粉末材料都能用作SLS材（cái）料。

        但要（yào）真正適合SLS燒結，要求粉末材料有良好的熱塑（固）性（xìng），一定（dìng）的導熱性，粉末經激光燒結後要有一定的粘結強度；粉末（mò）材料的粒度不宜過大，否則（zé）會降低成型件質量；而且SLS材料（liào）還應有（yǒu）較窄的“軟化-固化”溫度範圍，該溫度範圍較大時，製件的精度（dù）會受影響。

大體來（lái）講，3D打（dǎ）印激光燒結成型工藝對成型材料的基本要求是：

 具有良好的燒（shāo）結性能，無需特殊（shū）工（gōng）藝即（jí）可快速精確（què）地成型原（yuán）型；

 對於直接用作（zuò）功能零件或（huò）模具的原型，機械性能和物理性能（強度、剛性、熱穩定性、導熱性及加工性能（néng））要滿足使用要求；

 當原型間接使用時，要有利（lì）於快速方便的後續處理和加工工序，即與後續工藝的（de）接口性要好。

1、蠟粉

（1）用途：燒結製作蠟型，精密鑄造金屬零（líng）件。

（2） 傳統的熔模（mó）精鑄用蠟（烷烴蠟、脂肪酸蠟等），其熔點較低，在60℃左右，燒熔時（shí）間短，燒熔後沒有殘留物，對熔模鑄造的適（shì）應性好，且成本低廉。

（3）但存在以下缺點：

 對溫度敏感，燒結時熔融流動性大（dà），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（qiáng）度較低，難以滿足（zú）具有精細、複雜結構鑄件的要（yào）求；

 粉末的製備十分（fèn）困難。   

2、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯、工程塑料(ABS) 

（1）特點：

        聚苯乙烯(PS)屬於熱塑性樹脂，熔融溫度100℃，受熱後可熔化、粘結，冷卻後可以固（gù）化成型，而且該材（cái）料（liào）吸濕率很小，僅為0.05%，收縮率也較小，其粉料經過改性後，即可作為激（jī）光燒結成型用材料。

（2）用途：

        燒結成型件經不同的後處（chù）理工藝具有（yǒu）以下功能：第（dì）一，結合（hé）浸樹脂工藝，進一步提高其強度，可作為原型件及功能零件。第二、經浸蠟後處理，可作為精鑄蠟（là）模使用，通過熔模精密鑄造，生產金屬鑄（zhù）件。

3、尼龍粉末（PA）

（1）用途：

            粉末粒（lì）徑小，製作模型精度高，用於CAD數（shù）據驗證；因為具有足夠的強度可以進行（háng）功能驗證。

（2）特（tè）點：

           燒結溫度—粉末（mò）熔融溫度180℃；            

           燒結製件不需要特殊的後處理，即可以（yǐ）具有49MPa的抗拉伸強度。

（3）其它：尼（ní）龍粉末燒結快（kuài）速成型過程中，需要較高的預熱溫度，需要保護氣氛，設備性能（néng）要求高。

4、覆膜砂粉（fěn）末（mò）、覆膜陶瓷粉末材料

（1）覆膜砂    與鑄造（zào）用（yòng）覆膜砂類似，采用熱固（gù）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（guāng）燒結方法，製得的原型可以直（zhí）接當作鑄造用砂型（xíng）（芯（xīn））來製造金屬鑄（zhù）件，其中鋯砂具有更好（hǎo）的（de）鑄造性能，尤其適合於具有複雜形狀的有色合金鑄件，如（rú）鎂、鋁等合金的鑄造。

 材料成分：包覆酚醛樹脂的石英砂或鋯砂（shā），粒度160目以上；

 應用：用於製（zhì）造砂型鑄造的石英或鋯型（芯）；

 應用實例：砂型鑄造及（jí）型芯的製作，適用於單件、小批量砂型鑄造金屬（shǔ）鑄件的生產，尤其適合用於傳統製造技術難以實現的金屬鑄件。

（2）覆膜陶瓷（cí）粉  

              與覆膜砂（shā）的製作過（guò）程類似，被（bèi）包覆陶瓷粉可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光燒結快速成型後，結合後處理工藝，包括脫脂（zhī）及高溫燒結，可以快捷地製造精密鑄造用型殼，進而澆注金屬零件。

             也可以（yǐ）直接製造工程陶瓷製件，燒結後再經熱等靜壓處理，零件最後相對密度高達99.9%，可用於含油軸（zhóu）承等耐磨、耐熱陶瓷零（líng）件。

5、金（jīn）屬（shǔ）粉末

        用SLS 製造金屬功能（néng）件（jiàn）的方法有間接法和直接（jiē）法，其中間接法速度（dù）較快，精度較高，技（jì）術（shù）最成熟，應用最廣泛。

5.1 間（jiān）接燒結成型：

（1）間接燒結（jié）成型的原理。用高分子聚合物作為粘結劑。由於聚合物軟化（huà）溫度較低，熱塑性較好（hǎo）及粘度低，采用包覆製作工藝，將聚合物包覆在金屬（shǔ）粉末表麵（miàn），或者將其與金屬粉末材料以某種（zhǒng）形式混在一起（qǐ），在用SLS成型時，激光加熱使（shǐ）聚（jù）合物（wù）成為熔融態，流入金屬粉粒間，將金屬粉末粘結（jié）在一起而成型。在成型的坯件(green part) 中，既有金屬成分，又有聚合物（wù）成分。坯件還需要（yào）進行熱降解、二次（cì）燒結和滲金屬後處理，才能成為純金屬件。

 

間接法使用（yòng）的材料中，結構材料是金屬，主要是不（bú）鏽（xiù）鋼和鎳粉（fěn），聚合物主要是熱塑性材料。

熱塑性聚（jù）合物（wù）材料（liào）有兩類，一（yī）類是無定型，另（lìng）一類是結晶型。無定（dìng）型材料分子鏈上（shàng）分子的排列是無序的，如PC材料；結（jié）晶型材（cái）料分子鏈（liàn）上分子（zǐ）的排列是有序的，如尼龍(nylon) 材料。這（zhè）兩種（zhǒng）熱塑性聚合物都可以用（yòng）來作SLS材料中的粘結劑。

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

 

聚合物在（zài）成型材料中主要以兩種形式存（cún）在，一種是聚合（hé）物（wù）粉末與金屬粉末的機械（xiè）混合物，另一種是聚合物均勻地覆在金屬粉粒的表麵。將聚合物覆蓋在金（jīn）屬粉末表麵的方法有多種，如可將熱（rè）塑性材料製成溶液，稀（xī）釋後與粉末混合，攪拌，然後幹（gàn）燥；還可將聚合物加熱熔化，以霧狀噴出，覆在粉粒表麵。

在聚合（hé）物和金屬粉（fěn）末質量分數相同的情況（kuàng）下，覆層粉末燒結後的強度要高於機械混合的材料。

目前，應用最多的成（chéng）型材料主要是覆層金屬粉末。

 

（2）間接法（fǎ）燒結成型工（gōng）藝

 激光燒結。

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

 後處理工藝。

             成型坯件必須進行後處理才（cái）能成為密實（shí）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。這三個階段可以在同一個（gè）加（jiā）熱爐（lú）中進行，保（bǎo）護氣氛為30%的氫氣（qì），70%的（de）氮氣。 

 

 降解聚合物

                降解加熱在兩個不同溫度的保溫階（jiē）段完成，先將坯件加熱到350℃，保溫5h，然（rán）後再升溫到450℃，保溫4h。在這（zhè）兩個溫度段，聚合物都發生分解，其產物（wù）是多種氣（qì）體，通過加熱爐上的抽（chōu）風係統將其去除（chú）。通過降解，98 %以上的聚合物被去除。

 二次燒結

                當聚合物大部分被降解（jiě）後，金屬粉粒間隻（zhī）靠殘餘的一點聚（jù）合物和金屬粉末間的摩擦力來保持，這個力是很小的。要保持形狀，必須在金屬粉粒間建立新的聯係，這就是將坯件加熱到更高溫度，通過擴散（sàn）來建立聯（lián）結。加熱溫度（dù）根據材料確定，對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，提高強度的方法就是滲（shèn）金屬。熔點較低的金屬熔（róng）化後，在毛細力或重力的作用下，通過成型件內相互連通的孔洞，填滿（mǎn）成型件內的所（suǒ）有（yǒu）空（kōng）隙，使成（chéng）型件成為密實的金屬件（jiàn）。滲金屬（shǔ）在可控氣氛（fēn）或真空中進行。在可控氣氛中，必須使（shǐ）滲入金屬單向流動，這樣可讓連通孔隙中的空氣離開成型件；如多方向滲入，會將成型件中的氣體（tǐ）封在體內，形成氣孔而削弱強度。如果將成型件置於真空室內滲金屬，由（yóu）於成（chéng）型件內沒有空氣存在，可（kě）將成型件浸入液態金屬中，金屬液（yè）體從四（sì）周（zhōu）同時滲入，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係統間接成型金屬件，其成型速度較快，可製造形狀（zhuàng）複雜的金屬件，主要用（yòng）來快速製（zhì）造注塑模和壓鑄模。間接法製造金屬件的缺點是製件的精度有限，由於（yú）在降解和二次燒結過程之中存在體積的收縮，補償的作用有限；還有後處（chù）理時間比較（jiào）長。

            為解（jiě）決（jué）這些問題，在以（yǐ）下（xià）兩方麵進行研究：改進粘結劑，滲入非金屬材（cái）料，取消降解和二次燒結過程，使坯件不通過加熱，這樣的成型件（jiàn）具有高的精度，製造周期短，成（chéng）本低，可滿足使用壽命短的模（mó）具要求。 

 

5.2 直接燒結成型

         和間接燒結成型相比（bǐ），直接燒結成型過程明顯縮短，無需間接燒結時（shí）複雜的後處（chù）理階段。但必須有較（jiào）大功（gōng）率的激光器，以（yǐ）保證直接燒結過（guò）程中金屬粉末的直接熔（róng）化（huà）。

        因而，直接燒結中（zhōng）激光參（cān）數（shù）的選擇，被燒結金（jīn）屬粉末材料的熔（róng）凝過程控製是（shì）燒結成型中的關鍵。激光功率是激光直接燒（shāo）結工藝中的一個重要影響因素（sù）。功率越高，激光作用範圍內能量密度越高，材料熔化越充（chōng）分（fèn），同時燒結過程中參與熔化的材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大，粉末燒結（jié）固化後易生成凸凹不平的燒結層麵，激光功率（lǜ）高到一（yī）定程度，激（jī）光作用區內粉末材料急劇升溫，能量來不及擴散，易造成部分材料甚至不經過熔化（huà）階段直接汽化，產生金屬蒸汽。在激光作用下該（gāi）部分金屬蒸汽與粉（fěn）末材料中的空氣一道在激光（guāng）作用區內匯聚、膨脹、爆破，形成劇烈的燒結飛濺（jiàn）現象，帶走熔池內（nèi）及周邊大量金屬，形成不連續表麵，嚴重影響燒結工（gōng）藝的進（jìn）行（háng），甚至導致燒結無法繼續進行。同時飛濺（jiàn）產物（wù）也（yě）容易造成燒結（jié）過程的“夾雜”。

 

 

光斑直（zhí）徑是激光燒結工藝的另外一（yī）個重（chóng）要影響因（yīn）素。總的來說（shuō），在滿足燒結（jié）基本條件（jiàn）的前提下，光斑直徑越（yuè）小，熔池（chí）的（de）尺（chǐ）寸（cùn）也就可以控製得越小，越易在燒結過程中形成致密、精細、均勻一致的（de）微觀組織。同時，光（guāng）斑越細，越容易得到精（jīng）度（dù）較好的三維空間結構，但是（shì）光斑直徑的減小（xiǎo），預示著激光作用區內（nèi）能量密度的提高，光斑直徑過小，易引（yǐn）起上（shàng）述燒結飛濺現象。

掃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（xíng）成較好的層麵質量與層間結合，提高燒（shāo）結效率（lǜ）均有直接影響。同間（jiān）接工藝一樣，合理（lǐ）的掃描間（jiān）隔應保證燒結線間、層麵間有適當（dāng）重疊。

 

 

五、3D打印熔融（róng）沉積材（cái）料（liào）

FDM材料可（kě）以是（shì）絲狀熱（rè）塑性材（cái）料（liào），常用的有蠟、塑料、尼龍（lóng）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“固態-液態-固態”的轉變，故要求FDM在相變過程中有（yǒu）良（liáng）好的（de）化學穩定性，且FDM材料要有較小的收縮（suō）性。

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

 

 1、ABS塑（sù）料絲

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

 

 

2、熔融材料

      各種可以熔融材料，如蠟、塑料等，適用於（yú）加壓融化罐。

      熔融擠壓噴頭工作原理如：

      將所使用熱塑性（xìng）成型材料裝入熔化罐中（zhōng），利用熔化罐外壁（bì）的加熱圈對其加熱熔化呈熔（róng）融狀態，然後將壓縮機產生的壓縮空氣導入熔化罐中（zhōng），氣體壓力作（zuò）用在（zài）熔融（róng）材料的表麵上迫（pò）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，能直接做出ABS製件，但生產效率低，精（jīng）度不高，最終輪廓形（xíng）狀受到限製。

FDM的工藝特點，可以製作複合材料（liào）的快速（sù）成型製件，如磁性材（cái）料和塑料粉末經過FDM噴頭成型特殊形狀的磁性（xìng）體，可以實現各向異性，各層異性，不同區域（yù）不同性能。這是模具成型所不能實現（xiàn）的（de）。

 

 

六、疊層製造快速成型材料

LOM原型一般由薄片材料和粘結劑兩部（bù）分組成，薄片材料根據對原型性能要求的不同可分為：紙、塑料薄膜、金（jīn）屬（shǔ）鉑等。對於薄片材料要求厚薄（báo）均勻，力學性能良好並（bìng）與粘結劑有較好的（de）塗掛性和粘結能力。用於LOM的粘結劑通常為加有某些特殊添加劑組分的熱熔膠。

         LOM技術成型速度快，製造成本低，成型時無需特意設（shè）計（jì）支（zhī）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（mó）厚（hòu）度有（yǒu）限製，製件表麵粗糙，需要繁瑣的後處理過程。