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全方位盘点3D打印材料的最新进展

文章来源:OFweek 3D打印网  2015-11-16

标签:PLA线材PA线材PC线材

材料作为3D打印成型的根基,在整个增材制造工艺流程中扮演着极其重要的角色。由于3D打印技术的外延性,诞生了不少前沿领域:如工业3D打印、生物3D打印、医疗3D打印、航空航天3D打印、汽车3D打印、时尚设计类3D打印还有民用3D打印等。从而需要不同类型的材料诸如金属非金属粉末、树脂、蜡、塑料等。正是这些材料构成了我们亲眼所见的各种3D模型。同时材料往往又决定了打印出来的模型是否达到相关强度、刚度和韧性等应用特性。所以,材料最新进展也成为3D打印行业关注的重要方面。

我们首先从桌面级3D打印机开始。桌面级3D打印是民用和创意设计常常使用的一种类型。近期桌面级3D打印机材料在过去的基础上有了不小的突破:

PLA线材迎来全新突破

PLA作为一种生物基塑料,是桌面3D打印领域常用的一种打印材料。虽然其环保可降解,但是它的弱点也很明显,就是有点脆、不耐高温。近日,3D打印线材生产商3D-Fuel推出了一款高耐热级的Advanced PLA线材,试图彻底改变这样状况。这款新型的PLA线材具备传统PLA所没有的优异特性:低气味,更高的打印细节/分辨率,优异的第一层附着力,改进了层间附着力,减少了翘曲、卷曲和打印失败率。

除此之外,3D-Fuel还推出了另外一款被称为Algae-Fuel(藻类燃料)的新线材,顾名思义,这款线材的生产原料为野生藻类。该线材不仅拥有普通PLA材料所具有的所有属性,而且拥有很高的蛋白质含量,3D打印的质量很理想。

尼龙3D打印线材:超强弹性无与伦比

近日,全球领先的3D打印机生产商3D Systems(3DS)公司发布了一款全新的工程级尼龙线材。该线材可以用于该公司的桌面级3D打印机CubePro上。该公司称,这种线材不仅强度高,而且具有很好的弹性以及"无与伦比的耐用性"。结合其Rinse-Away水溶性材料(用于打印支撑结构),该尼龙材料承诺为要求苛刻的专业人士提供最佳的3D打印输出。

3DS称这种用于CubePro的尼龙材料3D打印出来物体表面十分光滑。该公司推荐用这种材料打印一些具有载荷和基本强度要求的部件。该材料的技术规格为:拉伸强度:4785psi,断裂伸长值:22%,强度-重量比:174 psi,拉伸模量:248005 PSI,抗弯强度:8,270psi,硬度:Shore D 75。

聚碳酸酯线材上市:桌面3D打印机的"最佳搭档"

聚碳酸酯(PC)一直是世界上使用最广泛的热塑性塑料,因为它强度高、刚性、容易热成型,因此在工业领域诸如家用电器、餐具、汽车部件、DVD光盘、安全玻璃等方面都有应用。该材料还非常适合注塑成型,主要是因为一旦冷却它的强度就会非常高,可弯曲和变形而不断裂或龟裂。不过由于熔融温度过高使得它并没有在3D打印领域得到广泛的应用。

如今,来自上海的3D打印材料制造商Polymaker与先进化学材料开发商Covestro(前身为拜耳材料科技)联手,共同开发出了两款专门针对桌面3D打印机的全新聚碳酸酯3D打印线材--Polymaker PC-Plus和Polymaker PC-Max。这两款线材经过特殊配方已经将打印温度从300-320oC下降到250-270oC,目前大多数的桌面3D打印机都能够很方便地实现这个温度范围。Polymaker公司同时指出,打印温度的降低同时也减少了在打印过程中出现翘曲或变形的可能性。

作为聚碳酸酯材料,PC-Plus和PC-Max能够比常见的3D打印材料,如PLA和ABS,提供更强大的机械性能。这两款新材料的先进特性使其非常适合打印对于机械性能要求比较高的部件。而且,它们具备与标准材料一样的弹性,可以很容易地进行打磨抛光或者喷漆等。

"聚碳酸酯所具有的特性对于整个3D打印领域来说都非常理想。其出色的工程和功能性为将桌面3D打印机用于以前不可想象的项目打开了大门。"Polymaker公司联合创始人罗小凡称。

使用PC材料3D打印出来的部件一个主要的优势就是具有耐用性,而且其成品比使用标准材料的部件具有更强的机械性能,尤其是PC-Max能够显著提高耐冲击性和韧性,甚至要超过PC-Plus。除此之外,聚碳酸酯材料也是天然的阻燃剂,可抗耐多种化学品和溶剂,并且经过开发还能提供透明度,其所具备的光学清晰度可用用于大量全新的领域,这是许多桌面3D打印机用户都难以想象的。

此外,Polymaker PC的耐热性也非常好,PLA和ABS通常会在大约60℃以上开始软化和变形,而Polymaker PC可承受的温度则超过100℃至110℃,甚至可以泡在沸水而不出现形变。

咖啡3D打印PLA线材:开启生物材料新纪元

就在不久之前,3Dom公司刚刚推出了一款全新的玻璃PLA线材。现在,这家风头正劲的3D打印线材厂商又与另一家厂商c2renew合作,推出了一种颇为有趣的咖啡3D打印PLA线材 - Wound Up。据了解,它是使用咖啡废料,即人们在处理咖啡豆时不需要的部分和PLA混合制成的。因此,使用其3D打印出的物体在外观上有着明显的自然颗粒,别有一番风味。3Dom公司还调侃了这款独特的线材:现在,3D打印的咖啡杯才是真正的咖啡杯。

Wound Up目前只有棕色一种颜色,适用于所有可使用PLA线材的3D打印机。如果你想要尝试看看,可以通过3Dom公司的官网订购。它的售价是49美元/卷,目前有直径1.75mm和2.85mm两种型号。Wound Up的另一位合作开发者C2renew是生物混合材料方面的专家。该公司以使用农业肥料开发新型3D打印线材而闻名。这些废料包括亚麻纤维、木粉、大豆、向日葵壳和甜菜,当然也包括咖啡豆废弃的部分。

很明显,两家公司此次合作推出的Wound Up只是一个开始。相信用不了多久,我们就能看到由他们带来的新型生物环保型3D打印线材了。

3D打印+LED擦火花 Eco3D PLA应运而生

来自捷克的3D打印公司VIVASA一直致力于可3D打印的照明材料的开发。不久前,该公司推出了一款名为Eco3D的3D打印线材,该材料具有很好的透光性,并能够提供均匀的光分布,堪称首款最适合用于3D打印LED灯具的线材产品。此外Eco3D可用于普通的消费级FDM 3D打印机。

"在经过了几个月的努力之后,我们在PLA的基础上开发出了可用于FDM打印机的乳白色新材料,该材料可与注塑成型材料相比,并能够提供均匀的光分布。"Vinter说,"我们已经与我之前的一些同事进行了材料分析,将其与他们目前使用的自然色和白色PLA材料相对比,得到了一些有趣的结论。"作为一种具有光散射能力的PLA线材,Eco3D具有可生物降解的特性,而且是食品安全的。其1.75毫米和2.85毫米线径的线材产品公差只有0.05毫米,可承受最高为65℃的温度。该线材比较适合于照明设计师--或者更为具体的--机械和光学设计师使用。

VIVASA团队将Eco3D线材视作传统的白色和自然色PLA材料的改进版,因为在用作照明用途时,原有的PLA白色和自然色材料有很多缺点。白色PLA由于其高dumping的光透射性导致其必须要用很薄的壁,这有可能会导致机械和热有关的问题。自然色PLA具有低扩散效果的高透光率特性同样会引起问题。而且用在LED灯具上经常会有视觉可见的"热点"。而且经常能够看到灯具的内部,以及具有非均匀照明的问题。

相比较而言,Eco3D更有优势,因为它透光相当均匀,对于需要使用滤光器的电子产品,该3D打印材料可以制成滤光器以用于光的散射,使用者可以通过调整其壁厚达到适当的透光率,最多可达5毫米。VIVASA团队认为,Eco3D是一种在透光性、光散射性和机械耐用性方面表现出优秀特性的线材,他们认为这是专业人员或爱好者们用来3D打印相关灯具、灯罩的最佳选择。

揭秘taulman3D登顶线材领域领先厂商之路

在3D打印材料领域,taulman3D公司以不断推出创新的高性能线材而知名。2012年10月,taulman3D发布了它的第一款可用于桌面型FDM 3D打印机的3D打印线材尼龙618(Nylon 618)。在此之前,绝大多数桌面3D打印机用户使用的都是PLA和ABS线材。尼龙材料的加入使得人们可以用桌面3D打印机打印出满足外形、适配性和功能性三大要求的零部件。尼龙618是一种新的尼龙,不是市场上常见的尼龙商品,而是专门为3D打印开发的一种新型材料。在2013年初,taulman3D公司又发布了尼龙645(Nylon 645),这是一款比尼龙618强度更高,更容易3D打印的材料。其次是t-glase。尼龙645和尼龙618的最大特色之一就是层粘接。使用ABS材料打印的部件往往出现的问题就是层间分离或者缺乏恒定的粘性。而使用645打印出来的单周管就算是折叠也不会出现层间分离。

在推出了t-glase之后,taulman3D紧接着又推出了"Bridge",这是一款经济型的工程级3D打印线材,主要为了满足一些3D打印爱好者能够在更小、更便宜的3D打印机上使用工程材料的愿望。Bridge拥有尼龙645大部分的强度和耐久性,但是放弃了一些耐化学性。不过这也同时降低了Bridge的收缩率。taulman3D推出的下一个产品是PCTPE。当时在该公司推出尼龙645的时候,有其它材料供应商在同一时间发布了热塑性弹性体材料,这种材料性能很好,非常适合于工业应用,但是它的耐久性却不如尼龙。

而且2015年3月,taulman3D公司还发布了一款"超级材料"--Alloy 910。据了解该公司在这种材料正式发布之前花了快一年的时间对其进行各种测试。taulman3D称,该材料的"组合抗张强度比最强的共聚酯更高,耐用性类似尼龙,收缩率可媲美我们的t-glase,具有广泛的耐化学性,并且能在95℃以下的温度区域内正常工作。"同时,它的使用也很容易,可在245℃的温度下打印。

taulman3D公司在不到3年的时间里总共研发、推出了9种工程级3D打印材料,每种都有其独特的特性。正因如此,作为一家成立不久的公司,taulman3D才能一路扶摇直上,成为全球3D打印材料领域领先的厂商。

相对桌面级来讲,工业级3D打印作为支撑整个增材制造领域的顶梁柱,对于材料有着更高的要求。工业级3D打印主要使用金属或非金属粉末,我国在此方面一直是比较落后的。但最近的一些产业格局的新变化,或许预示着我国能在此方面开始发生改变:

3D打印钛金属助制造业锦上添花

钛是一种非常优良的金属材料,它强度大、密度小、硬度大、熔点高、耐腐蚀,而且高纯度的钛具有良好的可塑性,是理想的金属3D打印材料,可为汽车、航空航天、医疗等领域打印高质量的金属元件。因此,如今钛在金属增材制造领域中的应用越来越多,需求越来越大。

据了解,尽管Praxair的钛金属粉末尚处于研发阶段,不过该公司已经通过提供小批量的这种原料成为了一些重要航天原始设备制造厂的合作伙伴。很快,Praxair就会将全部精力放到其气雾化钛金属粉末生产线上,为全世界的客户提供优质的3D打印用钛金属粉末材料。"到目前为止,能够满足市场需求的钛金属粉末的供应量依然有限,"Praxair负责先进材料与设备的副总裁Dean Hackett表示,"不过这种局面即将改变,因为从2015年第三季度开始,我们就将开始全规模生产航空级的优质球形钛金属粉末。除了供应这种粉末,我们也会为3D打印产业提供伴生工业气体。"

因为强度高,重量轻,耐腐蚀,这些钛金属粉末将被用于制造如航天支架和生物医用植入物等3D打印产品。"与市场上现有的钛金属粉末相比,我们的产品与众不同,因为它们是通过我们专利的紧密耦合,高压气体雾化工艺制造而成的,"Praxair公司的3D打印市场经理Andy Shives表示,"在产品组合中加入钛金属粉末将令我们能够更好地满足航空航天及其它产业的制造需要。"

MIT研发出世界首个光学透明玻璃3D打印技术

麻省理工学院研究人员已经发明了使用玻璃作为打印材料的3D打印方法,该过程被称为G3DP。G3DP被描述为使用光学透明玻璃用于高度精确3D打印的方法。,该过程是可控制,并且可以提供透明度和颜色等打印选项,。打印对象的厚度也可以控制,另外还可以控制打印物体的透射,反射和折射等参数。

这种玻璃3D打印机创建的产品当然是美丽的;他们看上去就像是艺术家手工吹制的玻璃作品。这个过程也可以用来改善光纤设计和简化光纤在建筑上的施工。基本上光维可以集成到建筑物的玻璃幕墙当中。麻省理工学院并没有提供这种玻璃3D打印机太多工作细节。类似产品的研发小组Micron3DP表示,其过程使用温度高达1640摄氏度的打印头。

具体来讲,这项技术使用了一种由玻璃构成的融化物,然后通过调制和改变打印厚度来加层。这台3D打印机包含了两个堆积在一起的加热器,上面的加热器可以加热温度最高达到1900华摄氏度,充当一种"窑筒",底层的加热器用来加热和冷却打印材质,已达到软化和凝固玻璃材质的目的。该研究团队表示,他们通过合作开发出了全世界首个光学透明玻璃打印技术,这项技术拥有非常大的潜力。

美铝公司6000万投资航空航天等领域3D打印

近日,美铝公司将投资6000万美元,扩建其在宾夕法尼亚州的研发中心,旨在加快先进3D打印材料和工艺的研发。美铝公司的材料科学家将生产用于3D打印工艺的专用铝、钛和镍粉。这些粉末将为各种增材制造工艺所定制,以生产强度更高的3D打印零件,并满足其它质量和性能要求。旨在满足航空航天、汽车、医疗等行业对于复杂、高性能3D打印零部件不断增长的需求。

此外,美铝公司还对外披露了一项名为Ampliforge的新工艺,该工艺将先进的材料、设计、增材制造技术以及传统的制造工艺结合在一起。美铝公司利用该工艺设计并3D打印了一个几乎完整的零件,然后采用传统的制造工艺,如锻造对它进行处理。公司表示,该方法可以提高3D打印零部件的性能,例如,与仅通过增材制造技术生产的部件相比提高了韧性和强度。此外,Ampliforge工艺能够显著减少材料使用,并且与传统的锻造工艺相比简化了生产过程。而且他们的研究计划中主要一点是着重于先进材料研究:美铝公司将开发增材制造专用的铝粉,钛粉和镍粉。这些材料将专门为各种增材制造工艺所定制,以生产出强度更高的增材制造部件,并满足其质量和性能要求。

中外合资 中国将突破3D打印材料软肋!

吉凯恩宣布旗下的吉凯恩粉末冶金事业部已经与霸州市宏升实业有限公司(位于中国河北省霸州市)协议成立合资公司。新的合资公司将生产国际级的铁粉,是中国首个国际级金属粉末生产企业。目前,合并审验申请已经提交给中国相关部门进行审批。若这家合资公司能够真正在国内站稳脚跟,可谓是中国3D打印材料产业的曙光。或许中国3D打印材料国产化的梦想能够在这家合资公司的技术推动下慢慢实现。

吉凯恩是一家工程技术型跨国集团--吉凯恩的技术和工程设计是全球各主要汽车、飞机和工作车辆等生产商产品的核心。吉凯恩下设四个事业部门,分别为:吉凯恩传动系统、吉凯恩粉末冶金、吉凯恩航宇和吉凯恩陆地系统;主要服务于汽车、航空航天和陆地系统市场。共有48,000多名员工在全球30个国家的子公司和合资企业中努力工作。每一天,吉凯恩利用全球的技术和生产资源提供高品质的零部件、系统、组件和服务。 吉凯恩粉末冶金是全球粉末冶金市场最大的烧结件生产企业和领先的铁粉制造企业,是总部位于英国雷迪奇的吉凯恩集团的下属部门。 霸州市宏升实业有限公司成立于2009年,是中国领先的雾化铁粉和钢粉的供应商。

另外,吉凯恩旗下的Hoeganaes有限公司生产的金属粉末制品在北美地区所占的市场份额超过了50%,Hoeganaes有限公司的产品在欧洲金属粉末制品市场的销售也呈快速增长。

结语:从以上内容可以看到,3D打印材料在过去的基础之上有了不小的突破,无论是桌面级还是工业级,我们都可以看到3D打印材料带来的持续增长的价值。桌面级线材的质地越来越硬,而且在耐热性和其他众多方面都是曾经的3D打印线材无法比拟的;工业级领域,诞生了新型玻璃材料,这将会冲击传统的陶瓷和玻璃制品产业;同时,金属粉末材料的不断突破也为我国国产化带来了新的曙光,或许在未来,我国能够实现金属材料国产化的目标。故此,3D打印材料的发展,一方面促进了传统制造业的更新换代;另一方面,随着材料的不断更新,人类的科技将会逾越更多的门槛!

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