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【摘 要】3D打印操作简单、成型速度快、成型过程无污染、成型件精度高，是当前快速成型技术的研究热点。而3D打印成本很高，不仅仅是自身的机器价格高，更重要的是打印材料的价格高。为此，3D打印材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。
【关键词】3D打印；金属材料；陶瓷材料；复合材料
3D打印技术又称“快速成形技术”或“增材制造技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个：打印材料和设备。比起设备的研发，材料的研发难度更大。3D打印技术并不复杂，难在材料。普通打印机的耗材就是墨水和纸张，但3D打印机的耗材却主要是胶水和粉末，而且必须经过特殊处理，对材料的固化反应速度等也要求很高。根据化学组成，3D打印材料分为金属材料、陶瓷材料、复合材料和聚合物。
1.3D打印材料
1.1金属材料
目前大多数3D打印耗材是塑料，而金属具有更好的力学强和导电性，在3D打印中具有举足轻重的地位。但金属材料的3D打印制造技术难度大，主要是因为金属的熔点比较高，sahod 料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。其中钛合金尤其受到重视，因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高，在3D打印汽车、航空航天和国防工业都将有很广阔的应用前景[1]。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金，具有优异的抗腐蚀性能和机械性能，用其制作的零部件强度高、耐高温。不锈钢因其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢是最廉价的金属打印材料，打印的模型具有较高的强度[2]。镁铝合金因其质轻、强度高等，在制造业的强量化需求中得到了大量应用。
1.2陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热（高达600℃）、可回收、无毒，可作为理想的炊具餐具和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家具装饰材料[3]。但其强度不高，硬而脆的特点使其加工成形困难，尤其是复杂陶瓷件需通过磨具来成形，而模具加工成本高且开发周期长，难以满足产品的需求。已有报道，西英格兰大学研究人员开发了一种改进型的3D打印陶瓷技术，根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质的问题[4]。比利时在2012年应用陶瓷材料搭建了一台快速制造的3D打印机，为制作精细和新形式的传统陶艺技术提供了可能。
1.3复合材料
2014年美国硅谷Arevo实验室推出制造高强度碳复合材料最终产品的3D打印技术，打印出了碳纤维增强尼龙基体的复合材料，尼龙基体是比PEEK更低端的聚合物树脂。比起传统方法，3D打印更精确地控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，而不是像传统的挤出或注塑方法来定型。且由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一次，每层可以实现任何所需的纤维取向。复合材料的增强相不仅可用碳纤维，还可以用玻璃纤维。该技术主要针对航空航天、国防和医疗应用的零件产品，有望开发出更轻、更强、更持久的组件[5-6]。
1.4聚合物
聚合物中应用较多的两类塑料是ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯） 和PLA（Poly Lactic Acid即聚乳酸）。ABS具有高强度、良好的柔韧性、机械加工性及抗高温性能，是3D打印最常用的热塑性塑料[7]。ABS材料颜色种类多， PC材料颜色较单一，只有白色，但其强度比ABS材料高出60%左右。PC-ABS材料是综合性能优异的工程塑料，具备了ABS的韧性和PC的高强度及耐热性[8]。PLA是一种环境友好型塑料，可生物降解为活性堆肥。PLA抵抗温度变化能力弱，当温度超过50℃时就发生变形，从而制约了其在3D打印领域的发展。Polysulfone（PSU）类材料是所有热塑性材料中强度最高，抗腐蚀性和耐热性最好的材料，通常以最终零部件使用，广泛用于交通工具、航空航天和医疗行业。此外，其它新型的聚合物材料如尼龙类材料、弹性塑料等也被引进了3D打印领域。
2.展望
现有的3D打印材料，从价格上来看，便宜的几百块1kg，贵则约4万元1kg，打印成本昂贵。随着新材料技术的发展，未来还会出现更多的性能优异且价格低廉的打印材料。随着3D技术的不断成熟，打印出的产品的成本会不断降低。3D打印在医疗行业、骨骼打印、科学研究、文物保护、建筑设计、制造业等的应用将会得到更好的发展。3D打印技术也逐步进入人们的生活，3D打印机将越来越平民化。 [科]
【参考文献】
[1]3D打印在钛合金制造领域应用解读.（2014-01-21）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-01/ART-132102-11000-28770696.html.
[2]解密3D打印[J].工业设计，2013（2）：15-19.
[3]Ceramic scaffolds produced by computer-assisted 3D printing and sintering： Characterization and biocompatibility investigations.Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，93（1）：212-217.
[4]西英格兰大学开发出改进型3D打印陶瓷技术.（2014-04-08）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28795292.html.
[5]Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube-reinforced high performance materialsfor3Dprintingprocess.http：//www.businesswire.com/news/home/20140324005
722/en#.U2UCiPnh94k.
[6]美实验室3D打印出高强度碳纤维增强复合材料.（2014-04-17）http：//3dprint
.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28798510.html.
[7]Thedifference between ABS and PLA for 3D printing.http：//www.protoparadigm.com/blog/2013/01/the-difference-between-abs-and-pla-for-3d-printing.
[8]聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究[J].材料热处理学报，2007，28（4）：51-54.
【关键词】3D打印；金属材料；陶瓷材料；复合材料
3D打印技术又称“快速成形技术”或“增材制造技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个：打印材料和设备。比起设备的研发，材料的研发难度更大。3D打印技术并不复杂，难在材料。普通打印机的耗材就是墨水和纸张，但3D打印机的耗材却主要是胶水和粉末，而且必须经过特殊处理，对材料的固化反应速度等也要求很高。根据化学组成，3D打印材料分为金属材料、陶瓷材料、复合材料和聚合物。
1.3D打印材料
1.1金属材料
目前大多数3D打印耗材是塑料，而金属具有更好的力学强和导电性，在3D打印中具有举足轻重的地位。但金属材料的3D打印制造技术难度大，主要是因为金属的熔点比较高，sahod 料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。其中钛合金尤其受到重视，因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高，在3D打印汽车、航空航天和国防工业都将有很广阔的应用前景[1]。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金，具有优异的抗腐蚀性能和机械性能，用其制作的零部件强度高、耐高温。不锈钢因其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢是最廉价的金属打印材料，打印的模型具有较高的强度[2]。镁铝合金因其质轻、强度高等，在制造业的强量化需求中得到了大量应用。
1.2陶瓷材料
陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热（高达600℃）、可回收、无毒，可作为理想的炊具餐具和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家具装饰材料[3]。但其强度不高，硬而脆的特点使其加工成形困难，尤其是复杂陶瓷件需通过磨具来成形，而模具加工成本高且开发周期长，难以满足产品的需求。已有报道，西英格兰大学研究人员开发了一种改进型的3D打印陶瓷技术，根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质的问题[4]。比利时在2012年应用陶瓷材料搭建了一台快速制造的3D打印机，为制作精细和新形式的传统陶艺技术提供了可能。
1.3复合材料
2014年美国硅谷Arevo实验室推出制造高强度碳复合材料最终产品的3D打印技术，打印出了碳纤维增强尼龙基体的复合材料，尼龙基体是比PEEK更低端的聚合物树脂。比起传统方法，3D打印更精确地控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，而不是像传统的挤出或注塑方法来定型。且由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一次，每层可以实现任何所需的纤维取向。复合材料的增强相不仅可用碳纤维，还可以用玻璃纤维。该技术主要针对航空航天、国防和医疗应用的零件产品，有望开发出更轻、更强、更持久的组件[5-6]。
1.4聚合物
聚合物中应用较多的两类塑料是ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯） 和PLA（Poly Lactic Acid即聚乳酸）。ABS具有高强度、良好的柔韧性、机械加工性及抗高温性能，是3D打印最常用的热塑性塑料[7]。ABS材料颜色种类多， PC材料颜色较单一，只有白色，但其强度比ABS材料高出60%左右。PC-ABS材料是综合性能优异的工程塑料，具备了ABS的韧性和PC的高强度及耐热性[8]。PLA是一种环境友好型塑料，可生物降解为活性堆肥。PLA抵抗温度变化能力弱，当温度超过50℃时就发生变形，从而制约了其在3D打印领域的发展。Polysulfone（PSU）类材料是所有热塑性材料中强度最高，抗腐蚀性和耐热性最好的材料，通常以最终零部件使用，广泛用于交通工具、航空航天和医疗行业。此外，其它新型的聚合物材料如尼龙类材料、弹性塑料等也被引进了3D打印领域。
2.展望
现有的3D打印材料，从价格上来看，便宜的几百块1kg，贵则约4万元1kg，打印成本昂贵。随着新材料技术的发展，未来还会出现更多的性能优异且价格低廉的打印材料。随着3D技术的不断成熟，打印出的产品的成本会不断降低。3D打印在医疗行业、骨骼打印、科学研究、文物保护、建筑设计、制造业等的应用将会得到更好的发展。3D打印技术也逐步进入人们的生活，3D打印机将越来越平民化。 [科]
【参考文献】
[1]3D打印在钛合金制造领域应用解读.（2014-01-21）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-01/ART-132102-11000-28770696.html.
[2]解密3D打印[J].工业设计，2013（2）：15-19.
[3]Ceramic scaffolds produced by computer-assisted 3D printing and sintering： Characterization and biocompatibility investigations.Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，93（1）：212-217.
[4]西英格兰大学开发出改进型3D打印陶瓷技术.（2014-04-08）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28795292.html.
[5]Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube-reinforced high performance materialsfor3Dprintingprocess.http：//www.businesswire.com/news/home/20140324005
722/en#.U2UCiPnh94k.
[6]美实验室3D打印出高强度碳纤维增强复合材料.（2014-04-17）http：//3dprint
.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28798510.html.
[7]Thedifference between ABS and PLA for 3D printing.http：//www.protoparadigm.com/blog/2013/01/the-difference-between-abs-and-pla-for-3d-printing.
[8]聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究[J].材料热处理学报，2007，28（4）：51-54.