第2篇-3D打印的材料及工艺.ppt

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1、2 3D打印的材料及工艺,浙江机电职业技术学院 材料工程学院 张 伟 zwlaser 13968047920 67058473,3D打印未来最赚钱的部分之一：材料。美国巨头3D System测算，未来3年，材料部分将成为3D行业最大的利润来源。还记得惠普打印机是怎么赚钱的吗？没错，卖硒鼓墨盒！,2.1 3D打印常用材料 2.2 材料的制备方法 2.3 材料的性能 2.4 材料发展趋势,2 3D打印的材料及工艺,3D打印主要由设备、软件、材料三部分组成，其中材料是不可或缺的环节。而现在业界主要研究的是设备和软件，对材料研究还不够重视。 材料瓶颈已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印

2、的真正发展将在高端领域即工业应用，而目前高端打印材料的发展尚无法满足3D打印技术发展的需要。,材料基因组计划（又名Materials Genome Institute），简称MGI。2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系“(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划“(Materials Genome Initiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分，投资将超过1亿美元。,美国材料基因组计划,材料基因组计划拟通

3、过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。材料基因组计划项目在2012年已投入1亿美元。,2012年12月21日，材料科学系统工程发展战略研究中国版材料基因组计划重大项目启动会在中国工程院召开。会议由屠海令院士主持。项目组总顾问徐匡迪院士和清华大学原校长顾秉林院士出席了会议。才鸿年、崔俊芝、范守善、顾秉林、南策文、沈宝根、王崇愚

4、、王鼎盛、王海舟、王一德、徐惠彬等近40位院士专家分别作为项目组顾问和课题组负责人出席了会议。,中国材料基因组计划,2.1 3D打印常用材料 2.1.1 材料面临的问题 2.1.2 塑料 2.1.3 光敏树脂 2.1.4 金属材料 2.1.5 复合材料 2.1.6 其他材料,2 3D打印的材料及工艺,理论上来说，所有的材料都可以用于3D打印，但目前主要以石膏、光敏树脂、塑料为主，这很难满足大众用户的需求。 特别是工业级的3D 打印材料更是十分有限，目前适用的金属材料只有10 余种，而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机，即选择性激光烧

5、结(SLS)、选择性激光熔化(SLM、DLS)、激光直接金属堆积(DMD)技术。,2.1 3D打印常用材料,2 3D打印的材料及工艺,2.1.1 材料面临的问题,目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是： （1）可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展； （2）打印流畅性不足； （3）材料强度不够； （4）材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾； (5）材料标准化及系列化规范的制定。 3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。但目前还没有形成一个行业性的标准，因此在材料特性的选择上前期要花很长的时间。,2.1 3D打印常用材料,2.1.1 材料面临的问题,塑料是指以

6、树脂为基础原料，加入各种添加剂，在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,一、塑料的组成,塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。 树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。,塑料制品,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,树脂 指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物，它是塑料最基本的成分，决定塑料的类型和基本性能。,(1) 树脂的概念,1树脂,(2）树脂的作用 胶粘其它成分材料 赋予塑料可塑性和流动性。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,(3) 树脂的分类

7、,天然树脂 是指由自然界中动植物分泌物所得的无定形有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。,合成树脂 是人们模仿天然树脂的成分，用化学人工合成方法制取的树脂，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂等。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。 填料(填充剂)主要起增强作用； 增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮； 着色剂用于塑料制品着色。 其他的还有发泡剂、催化 剂、阻燃剂、抗静电剂等。,添加剂,2.

8、添加剂,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料, 在受热或其它条件下能固化成不熔性物质的塑料 ，其分子结构最终为网状结构。变化过程不可逆。热固性塑料常用于压缩成型，有的也可以采用注射成型。,二、塑料的分类,1按成型性能分类：, 指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，其分子结构是链状或枝状结构。变化过程可逆。热塑性塑料常采用注射、挤出或吹塑等方法成型。,热塑性塑料,热固性塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，具有可塑性和重复性，其树脂结构为线性或支链型，弹性、塑性好，硬度低。 热固性塑料加热固化后不再软化，形成不溶、不熔物，其树脂结构

9、为体型（网状型），硬度高，脆性大，无弹性和塑性。,二、塑料的分类,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,表2-1 常用热塑性塑料和热固性塑料,通用塑料 产量大、用途广、价格低、性能一般的塑料，常用作非结构材料。如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大类，其产量约占世界塑料总产量的80%。,二、塑料的分类,2按用途分类：,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,工程塑料 能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸醋、聚苯醚、聚苯硫醚、聚矾、聚酰亚胺、聚醚醚酮以及各种增

10、强塑料( 加入玻璃纤维、布纤维等) 。,特种塑料 一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等）应用于特殊用途的塑料。如医用塑料、光敏塑料、导磁塑料、超导电塑料、耐辐射塑料、耐高温塑料等。,通用塑料产品,塑料,塑料,工程塑料,三、塑料的性能特点 塑料的优点： 相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能；良好的工艺性能 。,塑料的缺点： 刚性差(为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,四、3D打印常用塑料,在

11、3D打印领域，塑料是最常用的打印材料，常用塑料的种类有：ABS塑料、PLA(聚乳酸）、尼龙、PC、玻璃填充聚胺，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,材料说明： 尼龙12，具有良好的力学性能和生物相容性，经认证达到食品安全等级，高精细度，性能稳定，能承受高温烤漆和金属喷涂，适用于制作展示模型、功能部件、真空铸造原型、最终产品和零配件。它的表面是有一种沙沙的、粉末的质感，也略微有些疏松。 材料应用：汽车、家电、电子消费品 材料颜色：白色 材料热变形温度：110 市场价位：20元-27元/千克,汽车方向盘样件,尼龙,四、3D打

12、印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,材料说明：优秀的尺寸精度，表面质量高，性能稳定，在高温下气化，灰粉残余物极低。 材料应用：适用于制作融模铸造、石膏铸造、陶瓷铸造和真空铸造原型。,聚苯乙烯,涡轮增压器外壳,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,多色树脂,材料说明：系列材料集尺寸稳定性和细节可视性于一身，适用于模拟标准塑料和制作模型，可实现逼真的最终产品效果。 非常适用于：广泛的装配与外观测试、活动部件与组装部件、展览与营销模型、电子元件的组装、非常适用于硅胶模具 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：白色蓝色黑色

13、材料热变形温度：45 市场价位：25元-30元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,半透明树脂,材料说明：集高尺寸稳定性、生物相容性和表面平滑度于一身的标准塑料模拟材料。 非常适用于： 透明或透视部件的成形和拟合测试 、玻璃、眼镜、灯罩、灯箱 、液流的可视化、彩染、医疗、艺术与展览模型 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：半透明微黄 材料热变形温度：45 市场价位：800元-880元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,聚乳酸（聚丙交酯）PLA,热稳定性好，加工温度170230，有好的抗溶剂

14、性，可用多种方式进行加工。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，有的聚乳酸（PLA）还具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性。,使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，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，不污染环境,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,ABS,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,ABS是常用的一种3D打印塑料之一。ABS塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、

15、染色性，成型加工和机械加工较好。 ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。 ABS塑料的缺点：热变形温度较低，可燃，耐候性较差。,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,ABS-ESD防静电塑料材料,材料说明：ABS-ESD7是一种基于ABS-M30的热塑性工程塑料，具备静电消散性能，可以用于防止静电堆积。主要用于易被静电损坏、降低产品性能或引起爆炸的物体。因为ABS-ESD7防止静电积累，因此它不会导致静态震动也不会造成象粉末、尘土和微粒的微小颗粒的物体表面吸附。该材料是理想的用于电路板等电子产品的包装和运输

16、。广泛用于电子元器件的装配夹具和辅助工具。 材料应用：电子消费品、包装行业 材料颜色：黑色 材料热变形温度：90 市场价位：50元-100元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,PC材料 PC-ISO材料 PC-ABS材料,材料说明：PC材料是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用。使用PC材料制作的样件，可以直接装配使用，广泛应用于交通工具及家电行业。PC的强度比ABS材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性！ 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：白色 材料热变形温度：138 市场价格：20元-42元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,光敏树脂 即是UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化。