3d列印材料有哪些（3D列印材料解析）

2023-10-05 17:35:39

3D列印領域，3D列印材料始終扮演著舉足輕重的角色，因此3D列印材料是3D列印技術發展的重要物質基礎，在某種程度上，材料的發展決定著3D列印能否有更廣泛的應用。目前，3D列印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D列印領域得到了應用。

3D列印所用的這些原材料都是專門針對3D列印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據列印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D列印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。

對於3D列印材料來講，當下市場上的材料已不下200餘種，且隨著技術的研發和進步，材料種類的更新度也會越來越快。那麼，怎樣才能更好更快更系統的認識材料呢？

目前3D列印常見的材料有哪些呢？

①ABS塑料

ABS是目前產量最大，應用最廣泛的聚合物，它將PS，SAN，BS的各種性能有機地統一起來，兼有韌、硬、剛的特性。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。

ABS塑料一般是不透明的，外觀呈淺象牙色、無毒、無味，有極好的衝擊強度、尺寸穩定性好、電性能、耐磨性、抗化學藥品性、染色性，成型加工和機械加工都比較好。

②PLA塑料

PLA（聚乳酸）是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的澱粉原料製成。聚乳酸的相容性、可降解性、機械性能和物理性能良好，適用於吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應用十分廣泛。同時也擁有良好的光澤性和透明度及良好的抗拉強度及延展度。

Tips：ABS或PLA？3D列印線材哪種好？

PLA和ABS材料可以製作的東西多種多樣，並且有很多重疊。因此從普通產品本身很難判斷，對比觀察ABS呈亞光，而PLA很光亮。加熱到195度，PLA可以順暢擠出，ABS不可以。加熱到220度，ABS可以順暢擠出，PLA會出現鼓起的氣泡，甚至被碳化。碳化會堵住噴嘴，非常危險。

③工程塑料

工程塑料是指被用作的工業零件或者外殼材料的工業用塑料。相比其它材料，兼有強度、耐衝擊性、抗老化、硬度等性能指標兼顧的平衡優點。因此它也是目前3D 列印中應用最為廣泛的材料。常見的工程塑料種類包括工業ABS材料、PC類材料、尼龍類材料等。

工業ABS材料

它是FDM（熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強度高、韌性好、耐衝擊等優點，正常變形溫度超過90℃，可進行機械加工(鑽孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍。

PC材料

它是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性：高強度、耐高溫、抗衝擊、抗彎曲，可以作為最終零部件使用。使用PC材料製作的樣件，可以直接裝配使用，應用於交通工具及家電行業。PC材料的顏色比較單一，只有白色，但其強度比ABS材料高出60%左右，具備超強的工程材料屬性，廣泛應用於電子消費品、家電、汽車製造、航空航天、醫療器械等領域。

尼龍材料

它是一種白色的粉末，SLS尼龍粉末材料具有質量輕，耐熱，磨擦係數低，耐磨損等特點。粉末粒徑小，製作模型精度高。燒結製件不需要特殊的後處理，即可以具有較高的抗拉伸強度。在顏色方面的選擇沒有像PLA和ABS這麼廣，但可以通過噴漆、浸染等方式進行色彩的選擇和上色。材料熱變形溫度為110℃，主要應用於汽車、家電、電子消費品、藝術設計及工業產品等領域都有著廣泛應用。

特點：燒結溫度—粉末熔融溫度180℃；燒結製件不需要特殊的後處理，即可以具有較高抗拉伸強度。並且尼龍粉末燒結快速成型過程中，需要較高的預熱溫度，需要保護氣氛，設備性能要求高。

PC-ABS材料

它是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC-ABS具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性，大多應用於汽車、家電及通信行業。 使用該材料配合FORTUS設備製作的樣件強度比傳統的FDM系統製作的部件強度高出60%左右，所以使用PC-ABS能列印出包括概念模型、功能原型、 製造工具及最終零部件等熱塑性部件。

PC-ISO材料

它是一種通過醫學衛生認證的白色熱塑性材料，具有很高的強度，廣泛應用於藥品及醫療器械行業，用於手術模擬、顱骨修復、牙科等專業領域。同時，因為具備PC的所有性能，也可以用於食品及藥品包裝行業，做出的樣件可以作為概念模型、功能原型、製造工具及最終零部件使用。

PSU類材料

它是一種琥珀色的材料，熱變形溫度為189℃，是所有熱塑性材料裡面強度最高，耐熱性最好，抗腐蝕性最優的材 料，通常作為最終零部件使用，廣泛用於航空航天、交通工具及醫療行業。PSU類材料能帶來直接數位化製造體驗，性能非常穩定，通過與RORTUS設備的配合使用，可以達到令人驚嘆的效果。

熱固性塑料

熱固性樹脂如環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、芳雜環樹脂等具有強度高、耐火性特點，非常適合利用3D列印的粉末雷射燒結成型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家與Wyss生物工程研究所聯手開發出了一種可3D列印的環氧基熱固性樹脂材料，這種環氧樹脂可3D列印成建築結構件用在輕質建築中。

④光敏樹脂

光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組成，由於具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性，使得液態光敏樹脂成為3D列印耗材用於高精度製品列印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表乾性能優異，成型後產品外觀平滑，可呈現透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個人桌面3D列印系統。

somos NEXT材料

白色材質，類PC新材料，韌性非常好，基本可達到selective laser sintering(SLS，選擇性雷射燒結)製作的尼龍材料性能，而精度和表面質量更佳。somos NEXT材料製作的部件擁有迄今最優的剛性和韌性，同時保持了光固化立體造型材料做工精緻、尺寸精確和外觀漂亮的優點，主要應用於汽車、家電、電子消費品等領域。

somos11122材料

看上去更像是真實透明的塑料，具有優秀的防水和尺寸穩定性，能提供包括ABS和PBT在內的多種類似工程塑料的特性，這些特性使它很適合用在汽車、醫療以及電子類產品領域。

somos19120材料

為粉紅色材質，是一種鑄造專用材料。成型後可直接代替精密鑄造的蠟膜原型，避免開發模具的風險，大大縮短周期，擁有低留灰燼和高精度等特點。

環氧樹脂

是一種便於鑄造的雷射快速成型樹脂，它含灰量極低(800℃時的殘留含灰量<0.01%)，可用於熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系，而且不含重金屬銻，可用於製造極其精密的快速鑄造型模。

⑤橡膠類材料

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特徵，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合於要求防滑或柔軟表面的應用領域。3D列印的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。

⑥金屬材料

3D列印所使用的金屬粉末一般要求純淨度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用於3D列印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼和鋁合金材料等，此外還有用於列印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

金屬3D列印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車製造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫療、造紙、電力工業、珠寶、時裝等。

採用金屬粉末進行快速成型是雷射快速成型由原型製造到快速直接製造的趨勢，它可以大大加快新產品的開發速度，具有廣闊的應用前景。金屬粉末的選區燒結方法中，常用的金屬粉末有3種：

（1）金屬粉末和有機粘結劑的混合體，按一定比例將2種粉末混合均勻後進行雷射燒結。

（2）兩種金屬粉末的混合體，其中一種熔點較低，在雷射燒結過程中起粘結劑的作用。

（3）單一的金屬粉末，對單元系燒結，特別是高熔點的金屬，在較短的時間內需要達到熔融溫度，需要很大功率的雷射器，直接金屬燒結成形存在的最大問題是因組織結構多孔導致製件密度低、力學性能差。

工具鋼金屬材料

工具鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時間的工藝條件。

不鏽鋼金屬材料

不鏽鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不鏽鋼不容易生鏽腐蝕。

奧氏體不鏽鋼316L，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度範圍下降到低溫，可應用於航空航天、石化等多種工程應用，也可以用於食品加工和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱硬化）不鏽鋼，具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應用於航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不鏽鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著雷射加工狀態可以帶倆極佳的延展性。

合金金屬材料

金屬3D列印材料應用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

鈦合金

目前應用於市場的純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和2級粉體，2級強於1級，對於大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性，因此在醫療行業具有廣泛的應用前景。

鈦是鈦合金產業的關鍵。目前，應用於金屬3D列印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級，因為其優異的強度和韌性，結合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車製造中具有非常理想的應用，而且，因為強度高、模量低、耐疲勞性強，應用於生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

鋁合金

目前，應用於金屬3D列印的鋁合金主要有鋁矽AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁矽12，是具有良好的熱性能的輕質增材製造金屬粉末，可應用於薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應用於航空航天及航空工業級的原型及生產零部件；矽/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其適用於薄壁以及複雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

銅基合金-青銅粉

應用於市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性，可以結合設計自由度，產生複雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導體器件，也可用於微型換熱器，具有壁薄、形狀複雜的特徵。

貴金屬材料

3D列印的產品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設計師受益最大的似乎就是將3D列印快速原型技術作為一種強大，且可方便替代其他製造方式的創意產業。在飾品3D列印材料領域，常用的有金、純銀、黃銅等。

⑦陶瓷材料

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性，在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。3D列印的陶瓷製品不透水、耐熱(可達600°C)、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。

但由於陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難，特別是複雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發周期長，難以滿足產品不斷更新的需求。

選擇性雷射燒結陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘結劑，其覆膜粉末製備工藝與覆膜金屬粉末類似，被包覆的陶瓷可以是Al2O3，ZrO2和SiC等，粘結劑的種類很多，有金屬粘結劑和塑料粘結劑(包括樹脂、聚乙烯蠟、有機玻璃等)，也可以使用無機粘結劑。

用途：

（1）將陶瓷粉末及粘合劑按一定的比例混合均勻燒結，經二次燒結處理工藝後獲得鑄造用陶瓷型殼，用該陶瓷型殼進行澆注即獲得製作的金屬零件。

（2）也可以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%，在工業方面可用於含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。

⑧複合型石膏粉末（全彩砂巖）

3D列印領域裡使用較為廣泛的材料之一。由全彩砂巖製作的對象色彩感較強，3D列印出來的產品表面具有顆粒感，列印的紋路比較明顯使物品具有特殊的視覺效果。它的質地較脆容易損壞，並且不適用於列印一些經常置於室外或極度潮溼環境中的對象。

但當一個設計師希望使用多種顏色列印他們的設計時，他們往往選擇的是彩色砂巖。因為它可以列印多種顏色，顏色層次和解析度都很好。砂巖列印出的的模型較為完美並且栩栩如生。因此全彩砂巖被普遍應用於製作模型、人像、建築模型等室內展示物。

⑨藍蠟和紅蠟

採用多噴嘴立體列印(MJM)技術，表面光滑；蠟模，用於精密鑄造，超越以前純模型製作與展示功能 。 可用於標準熔模材料和鑄造工藝的熔模鑄造應用，是製作珠寶、服飾、醫療器械、機械部件、雕塑、複製品、收藏品進行石蠟模型失蠟鑄造工藝。

如何選擇3D列印材料？

怎麼選擇適合自己的模型，通常會有下面幾個方面的考慮：

成本，材料性能（力學性能，機械性能，化學穩固性），後置處理後的成品細節，以及特殊應用環境等因素。

①成本

從最受關注的成本（不包含後置處理和人工費用）上講。通過對同一結構體積的材質球列印，根據意造網提供的各類耗材價格，我們發現在同等10000mm3體積大小產品的生產造價上：PLA塑料<塑料<樹脂<全彩砂巖<尼龍<藍蠟<金屬。

因此，從產品的造價成本上講，PLA塑料和ABS塑料是最低的，是最能符合低成本的耗材使用需求的。這裡需要注意的是，PLA塑料和ABS塑料材料的產品在設計時懸空結構或者斜向上的角度最好大於45度，小於45度就會需要額外的支撐，也就是說，小於45度時會變相的增加造價成本。

②材料性能

在最小細節上，0.5mm的PLA塑料和ABS塑料，低於藍蠟的0.1mm，高於銀質材料的1.0mm，處在一個中間水平，尚無特別之處。

在最小壁厚上，在普通產品來講，1.0mm的PLA塑料和ABS塑料最小壁厚，於最低的0.6mm壁厚水平相差無幾，屬於正常水平範圍內，絕對能夠滿足絕大部分普通產品的塑造需求。同樣，雖然最小壁厚能滿足大部門普通產品，但仍須注意不能小於1.0mm時，否則會在列印過程中發生變形，造成列印失敗。

在最高精度上，受材料自身因素的影響，0.3mm的PLA塑料在最高精度略低於平均水平，而0.1mm的ABS塑料則相對更為高精一些。不過這樣的最高精度，已經完全和某些工業級最高精度相媲美，絕對滿足創客對創意產品的製作要求。

同時，PLA塑料和ABS塑料對應的FDM工藝相對簡單，利用桌面機就可以進行列印製作。而桌面機的使用相對於工業機來講，或許在精度和批量化生產上稍有差距，但絕對也可以滿足正常的產品需求，且造價更低，生產更方便。

③後置處理

對於產品的後置處理，在色彩上，有噴漆（上色）、浸染，以及電鍍等多種方式。由於國內浸染技術不成熟且造價成本較高，電鍍操作複雜且成本也相對較高，所以為方便起見噴漆（上色）是目前來講最便捷的。當然，對於PLA塑料和ABS塑料來講，顏色選項很多，幾乎所有的顏色都可以選擇，且較為簡單易行。

至於外表紋理和支撐處理，對於PLA塑料來講，PLA材料的3D模型較硬、不耐熱，如果打磨會愈磨愈粗糙，目前沒有較好的外表紋理和支撐處理辦法。而對於ABS塑料講，雖可以進行打磨，但是使用一定比列的鹼溶液，即可使其表面光潔明亮，這種表面處理效果會更好。

④應用方向

除了以上3種因素外，基於製作列印模型的目的，應用方向大致可分為兩類：外觀驗證和結構驗證。

外觀驗證模型：由工程師設計製作用於驗證產品外觀的手板模型或直接使用且對外觀要求高的模型。外觀驗證模型是可視的、可觸摸的，它可以很直觀的以實物的形式把設計師的創意反映出來，避免了「畫出來好看而做出來不好看」 的弊端。外觀驗證模型製作在新品開發，產品外形推敲的過程中是必不可少的。

基於外觀驗證模型的需求，優先建議選用光敏樹脂類3D列印（包括類ABS樹脂和透明PC材料）；

結構驗證模型：在產品設計過程中從設計方案到量產，一般需要製作模具。模具製造的費用很高，比較大的模具價值數十萬乃至幾百萬，如果在開模的過程中發現結構不合理或其他問題，其損失可想而知。因此，製作結構驗證模型能避免這種損失，降低開模風險。

基於結構驗證模型的需求，對精度和表面質量要求不高的，優先建議選擇機械性能較好、價格低廉的材料，比方說PLA、ABS等材料。

此外，還有部分特殊要求，例如對導電性有要求，則需要金屬材料，或者要逆向製作一個精美的首飾，則建議使用藍蠟。

最受歡迎的材料主要應用方向

當然，在對材料有了清晰合理的劃分，和明確的性能認知之後，作為一個3D列印行業的從業者來講，我們還需要對材料的應用方向，做出一個大概性的了解。

當下市場上使用頻率最高的3D列印材料主要包括： 塑料（ABS、PLA、尼龍、光聚合物等），金屬（鋼、銀、金、鈦、鋁等）兩大類。而這兩大類別中，又可以根據市場應用和市場需求兩個方向進行再次劃分。

（1）市場應用最廣的

就目前的市場形態來看，塑料類材料在消費級產品製造中是主流。簡單點說就是，在我們日常生活中看到的3D列印產品，其生產材料不外乎是ABS、PLA、尼龍和光聚合物這四種。

（2）市場需求最廣的

如果從市場最需求和未來發展最長久的角度來看，市場對金屬類材料製作的產品的渴求是十分迫切的。尤其是在在航空航天與國防、汽車、醫療等行業的運用上，具備極大的發展空間。

與傳統製造技術相比，3D列印不必事先製造模具，不必在製造過程中去除大量的材料，也不必通過複雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，因此，在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D列印技術適合於新產品開發、快速單件及小批量零件製造、複雜形狀零件的製造、模具的設計與製造等，也適合於難加工材料的製造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此，3D列印產業受到了國內外越來越廣泛的關注，將成為下一個具有廣闊發展前景的朝陽產業。

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