3d打印材料概述.ppt

3D打印材料 1984年 CharlesHull发明将数字资源打印成三维立体模型的技术1986年 CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机 2005年 市场上首个高清晰彩色3D打印机研制成功 2010年11月 世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世 2011年8月 南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机 2012年11月 苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织 3D打印 主要由软件 材料 设备三部分组成是以计算机三维设计模型为蓝本 通过软件分层离散和数控成型系统 利用激光束 热熔喷嘴等方式将金属粉末 陶瓷粉末 塑料 细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结 最终叠加成型 制造出实体产品 3D打印对材料性能的一般要求 最基本的要求是材料必须可以液化 丝化 粉末化 在程序控制下打印后还要能重新结合起来 有利于快速 精确地加工原型零件 其他必须性能稳定 满足3D打印连续生产的需要 1 按材料的化学性能分类按材料的化学性能不同又可分为高分子 金属材料 陶瓷材料和复合材料 目前主要以塑料 光敏树脂为主 以金属为原材料的3D打印技术通常都非常昂贵 2 按材料的物理状态分类可以分为液体材料 薄片材料 粉末材料 丝状材料等 3 按材料成型方法分类按成型方法的不同可以分为 SLA材料 LOM材料 SLS材料 FDM材料等 液态材料 SLA 光敏树脂 聚氨酯丙烯酸酯 环氧丙烯酸酯 不饱和聚酯树脂 光敏稀释剂等 固态粉末 SLS非金属 蜡粉 塑料粉 覆膜陶瓷粉等 金属粉 不锈钢粉 钛金属粉等 固态片材 LOM纸 塑料 金属铂固态丝材 FDM 蜡丝 ABS丝 丝等 分类 在3D打印领域 塑料是最常用的打印材料 常用塑料的种类有 丙烯腈 苯乙烯 丁二烯共聚物 ABS 聚乳酸 PLA 光敏树脂 聚碳酸酯 PC 尼龙粉 石膏粉 聚氯乙烯 PVC 等 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 高分子 丙烯腈 苯乙烯 丁二烯共聚物 ABS ABS树脂是丙烯腈 Acrylonitrile 1 3 丁二烯 Butadiene 苯乙烯 Styrene 三种单体的接枝共聚物 最常见的比例是A B S 20 30 50 随着三种成分比例的调整 树脂的物理性能会有一定的变化 ABS是常用的一种3D打印塑料之一 高分子 ABS塑料优点 良好的强度 柔韧性 机械加工性 极好的耐磨性和抗冲击吸收能力 ABS塑料的缺点 有一定毒性 不能生物降解 此外热收缩性较大 影响成品精度 高分子 大多数ABS部件存在的最大精度障碍就是与3D打印机机床直接接触的打印表面易出现向上卷曲 采用ABS 丙酮混合物 或使用发胶喷枪能够避免打印表面产生卷曲 然而 在打印较大的物体时3D模型冷却过程热应力会引起的翘曲变形 聚乳酸 PLA 是一种热塑性脂肪族聚酯 它具有多种半透明色和光泽质感 它源于可再生资源 玉米淀粉和甘蔗 聚乳酸已经广泛应用在生物医学工程上 用作手术缝合线 骨钉和骨板等 使用聚乳酸做的手术线无需拆线 可以缓慢水解为乳酸被身体代谢掉 PLA是一种生物可分解塑料 无毒性 环保 制作时几乎无味 成品形变也较小 但它的主要缺陷是不能抵抗温度变化 高分子 EP ElastoPlastic 即弹性塑料 是最新研制的一种3D打印原材料 它避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题 具有相当好的弹性 易于恢复形变可用于制作像3D打印鞋手机壳和3D打印衣物等产品 Endur 它是一种先进的仿聚丙烯材料 可满足各种不同领域的应用需求 Endur材料具有高强度 柔韧度好和耐高温性能 用其打印的产品表面质量佳 且尺寸稳定性好 不易收缩 能够用于打印运动部件 咬合啮合部件以及小型盒子和容器 高分子 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 高分子 树脂材料Somos11122 Somos11122 看上去更像是真实透明的塑料 具有防水和尺寸稳定性 拥有多种类似工程塑料的特性 这些特性使它很适合用在汽车 医药 电子类消费 透镜 包装 流体分析 RTV翻模 耐用的概念模型 风洞试验 快速铸造等 Somos19120 材料为粉红色材质 铸造专用材料 成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型 避免开模具的风险 大大缩短周期 拥有低留灰烬和高精度等特点 SomosNext 材料为白色材质 类PC新材料 材料韧性较好 精度和表面质量更佳 制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合 常见的光敏树脂有树脂Somos11122材料 SomosNext材料 Somos19120材料和环氧树脂 环氧树脂 类透明pc类 材料说明 便于铸造的激光快速成型树脂 含灰量极低 1500 F时的残留含灰量 0 01 可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系 不含重金属锑 可用于制造极其精密的快速铸造型模 汽车 家电 电子消费品 高分子 3D打印材料中以金属粉末应用市场最为广阔 因此 直接用金属粉末烧结成型三维零件是快速成形制造最终目标之一 由于各种金属材料的化学成分 物理性质不同 因此成型的机理也各具特征 对金属粉末的性能要求也更为严苛 昂贵 但价格是传统粉体的10 20倍 应用于航空航 医药等高端领域 金属材料 金属材料 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 金属材料 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 金属材料 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 镓既不含毒性 也不会蒸发 打印挤压电线或金属纤维成为了可能 液态金属电线甚至在完全切断后也能够实现自我修复 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 工业化应用成本高 且液态金属结构由于本身不能固定而需包覆在聚合物基体中 金属材料 硅酸铝陶瓷粉末能够用于3D打印陶瓷产品 3D打印的该陶瓷制品不透水 耐热 可回收 无毒 但其强度不高 可作为理想的炊具 餐具 家居装饰材料等 陶瓷 陶瓷 美国硅谷Arevo实验室3D打印出了高强度碳纤维增强复合材料 相比于传统的挤出或注塑定型方法 3D打印时通过精确控制碳纤维的取向 优化特定机械 电和热性能 能够严格设定其综合性能 结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能 复合材料 复合材料 除了上面介绍的3D打印材料外 目前用到的还有彩色石膏材料 建筑材料 食品材料 橡胶材料 生物材料 其他材料 熔融沉积快速成型 FusedDepositionModeling FDM 熔融沉积又叫熔丝沉积 它是将丝状热熔性材料加热融化 通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来 热熔材料融化后从喷嘴喷出 沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上 温度低于固化温度后开始固化 通过材料的层层堆积形成最终成品 大致结构如下图所示 在3D打印技术中 FDM的机械结构最简单 设计也最容易 成本低 精度低 因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术 FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料 科研多以PLA为主 光固化成型 StereolithigraphyApparatus SLA 基于液态光敏树脂的光聚合原理 主要使用光敏树脂为材料 通过紫外光或者其他光源照射凝固成型 逐层固化 最终得到完整的产品 SLA成型技术优势 SLA成型技术缺憾 1 最早出现的快速原型制造工艺 成熟度高 经过时间的检验 2 由CAD数字模型直接制成原型 加工速度快 产品生产周期短 无需切削工具与模具 3 可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具 4 使CAD数字模型直观化 降低错误修复的成本 1 SLA系统造价高昂 使用和维护成本过高 2 SLA系统是要对液体进行操作的精密设备 对工作环境要求苛刻 3 成型件多为树脂类 强度 刚度 耐热性有限 不利于长时间保存 光敏树脂原料有一定毒性 4 强度不足 光固化成型的原型在外观方面非常好 但是强度方面尚不能与真正的制成品相比 一般主要用于原型设计验证方面 然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品 26 选择性激光烧结 SelectingLaserSintering SLS SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理 SLS技术同样是使用层叠堆积成型 所不同的是 它首先铺一层粉末材料 将材料预热到接近熔化点 再使用激光在该层截面上扫描 使粉末温度升至熔化点 然后烧结形成粘接 接着不断重复铺粉 烧结的过程 直至完成整个模型成型 激光烧结的成品精度好 强度高 但是最主要的优势还是在于金属成品的制作 激光烧结可以直接烧结金属零件 也可以间接烧结金属零件 最终成品的强度远远优于其他3D打印技术 三维粉末粘接 ThreeDimensionalPrintingandGluing 3DP 3DP技术由美国麻省理工大学开发成功 原料使用粉末材料 如陶瓷粉末 金属粉末 塑料粉末等 3DP技术的优势在于成型速度快 无需支撑结构 而且能够输出彩色打印产品 这是目前其他技术都比较难以实现的 强度并不高 只能作为测试原型 1 材料的限制 虽然高端工业印刷可以实现塑料 某些金属或者陶瓷打印 但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的 材料的限制 可以生产的其他产品也很少 产品无法量产 而且一摔就碎 2 机器的限制 打印机也还没有达到成熟的水平 无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料 运动的物体和它们的清晰度难以实现 3 道德的挑战道德是底线 什么样的东西会违反道德规律是很难界定的 如果有人打印出生物器官和活体组织 在不久的将来会遇到极大的道德挑战 枪械 4 花费的承担3D打印技术需要承担的花费是高昂的 5 知识产权的忧虑 1 材料性能达不到要求 成熟度不够 材料精度 强度也不够 一时还无法实现流畅打印的效果 而且材料的安全性也无法保证 2 可用材料种类偏少 难以满足3D打印需求3 材料成本较高 限制了应用领域4 我国部分3D打印材料依赖进口 限制了产业化应用 材料的限制 西安大学生3D打印出机器人 能做家务照顾老人2013年11月23日 西安电子科技大学展