3.4　主要打印材料性能和应用现状

3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，而诸如彩色石膏材料、细胞生物原料以及巧克力等食品材料也在雕塑、医学等不同领域得到了应用(4)。

现有3D打印材料多为粉末或者黏稠的液体，从价格上来看，便宜的几百元1千克，最贵的1千克则要4万元左右。从3D打印材料的四种固化方式来看（加热、降温、紫外线、激光烧结），“熔融沉积”的整体成本最低，因而普及度也最高。随着新材料技术的发展，未来还会出现更多的3D打印材料。表3-5展示了常用的3D打印材料分类、性能和应用范围。

3.4.1　金属材料

金属材料的3D打印在国防领域应用广泛，3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要包括钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外也有金、银等金属粉末用于打印首饰。

3.4.1.1　钛合金

1．特点和应用领域

钛金属作为一种战略性金属材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特点，是3D打印适用性关键材料，主要应用于家电、汽车、航天航空、医疗等领域(5)，尤其是飞机制造、宇宙航天行业所必需的材料。

钛合金3D打印在飞机制造、宇宙航天领域优势明显。首先，它节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1～2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5%(6)。其次，更重要的是，许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。图3-2为电子显微镜下的球形钛粉。

2．发展历史和现状

美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年，美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成型技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，并在2002年将激光成型的钛合金零件装上战机试验(7)。我国的钛合金激光成型技术起步较晚。其中，中航激光技术团队取得的成就最为显著。早在2000年前后，中航激光技术团队就已经开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，在国家的持续支持下，经过数年的努力，解决了“惰性气体保护系统”“热应力离散”“缺陷控制”“晶格生长控制”等多项世界技术难题，生产出结构复杂、尺寸达到4m量级、性能满足主承力结构要求的产品，具有了商业应用价值。目前，我国已经具备了使用激光成型超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中(8)。我国成为目前世界上唯一掌握激光成型钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。

3．成本

传统的钛金粉末生产方法包括将用科罗尔还原法制作的金属海绵体进一步制作成锭状的金属坯，再将金属坯熔化成条形，并最终雾化成粉末。钛合金球形粉末之前为美、德、英等西方发达国家所垄断，国际市场上用于3D打印的球形钛粉每克售价高达5元，贵过纯白银(9)。

2013年，英国金属材料制造商Metalysis宣称该公司首次开发出低成本的钛金属粉末(10)，即将金红石（一种二氧化钛为主的矿石）用电解的方法直接制作成粉末状钛金属。这种方法还能很好地控制粉末颗粒的大小、纯度、形态和合金成分，并且成本上较传统的方法下降多达75%，已经被用于3D打印汽车零部件，未来将广泛应用于汽车、航空航天和国防工业。

2015年，山西卓锋钛业有限公司经历两年多的研发试验(11)，成功研制出3D打印球形海绵钛粉，填补了我国钛工业高端钛粉产业和技术的空白，打破了西方发达国家对这一项目的垄断。公司现生产的球形钛粉产品颗粒直径为50～100微米，产品经检测各项指标达到国际水平，钛粉产品规格和质量满足3D打印要求，可以替代进口。公司3D打印球形钛粉产品的建成达产后，预计可形成年产300吨的生产能力，彻底改变3D球形海绵钛粉依赖进口的局面，满足我国高端钛合金制造的需求，推动我国3D打印技术的应用和发展。

4．实际应用

图3-3上方分别为国内钛合金3D打印的大型承重零件和骨髓外科植入物。图3-3中，左图为rvnDSGN团队利用3D打印技术将钛粉快速而高效地打印成精致的手表。3D打印的钛手表具有自润滑轴承，通过提高制造精度和减小关键部位的运转摩擦来提高其使用寿命。右图则为英国的Metalysis公司利用钛金属粉末打印的叶轮和涡轮增压器等汽车零件。

3.4.1.2　不锈钢

1．特点和应用领域

不锈钢粉末是金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料，可以算是最廉价的金属打印材料。不锈钢材料具有强度较高、耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的优点，适合打印尺寸较大的物品。缺点是3D打印的不锈钢制品表面略显粗糙，且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。图3-4为德国某厂家3D打印不锈钢粉末的微观结构(12)。

2．成本

目前，不锈钢打印材料的价格大概为钛合金的1/5左右，大概在每千克320～750元。

3．实际应用

图3-5左图为美国一家公司制造的全球首款3D金属手枪(13)，右上为设计师Bitonti用3D打印出的桌子，右下角为不锈钢3D打印的工艺品。

3.4.1.3　镁铝合金

1．特点和应用领域

镁铝合金具有质轻、强度高的优良性能，因而在制造业领域得到了大量应用。在3D打印技术中，它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。

2．成本

普通铝合金材料价格为每千克15～18元，而用于3D打印的铝合金粉的价格在每千克300～400元左右。

3．实际应用

图3-6中，左为日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机壳体上的镁铝合金特殊曲面顶盖。右图为来自美国普渡大学的技术员Dahlon P Lyles利用铝合金材料AlSi12打印出了能够承重408公斤的晶格结构(14)，这个晶格结构总重量仅为3.9克。

3.4.2　塑料类

工程塑料具有强度高、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性等优点，是目前应用最广泛的一类3D材料，常见的工程塑料包括Acrylonitrile Butadiene styrene（ABS）类材料、Polycarbonate（PC）类材料、尼龙类材料等。

3.4.2.1　ABS材料

1．特点和应用领域

ABS材料，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，是从化石燃料中提取出来的一种热塑性工程塑料，也是熔融沉积成型FDM（Fused Deposition Modeling）快速成型工艺常用材料之一（见图3-7）。ABS塑料具有强度高、韧性好、耐冲击及抗高温等优点，正常变形温度超过90℃，可进行机械加工（钻孔、攻螺纹）、喷漆及电镀。此外，它具有极好的耐磨性和抗冲击吸收能力。但缺点是不能生物降解，且大多数ABS部件与3D打印机机床直接接触的打印表面易出现向上卷曲，造成其精度障碍，故而需要在加热打印表面时确保其光滑、平整和洁净，以消除卷曲现象。ABS材料的颜色种类繁多，如象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色等，广泛应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

2．成本

ABS塑料由石油提炼而来，2千克的石油可生产1千克的ABS塑料。2012年数据显示进口类ABS丝约每千克2200元，国产ABS丝约每千克300元。近年来ABS打印材料的价格有所下降。

3．实际应用

用ABS材料打印的儿童玩具如图3-8中左图所示。右图为ABS材料打印出的工艺品。

3.4.2.2　PC材料

1．特点和应用领域

PC材料是一种热塑性材料，材料特性为高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲，可以作为最终零部件使用。PC材料的强度比ABS高出60%左右，具备超强的工程材料属性。缺点是PC材料的颜色比较单一，只有白色(15)。目前PC材料已经广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

2．成本

国内的3D打印PC耗材主要有1.75毫米和3毫米两种型号，价格约为每千克20～100元。

3．实际应用

图3-10为PC材料3D打印而成的零件。

3.4.2.3　PLA材料

1．特点和应用领域

PLA（Poly Lactic Acid），即聚乳酸，呈半透明色和光泽质感，是一种环境友好型塑料，其生产原料为可再生资源玉米淀粉和甘蔗，使用后可被自然界中微生物完全降解为二氧化碳和水，不造成环境污染。同时，PLA材料具有极低的收缩率，可以避免模型的翘曲变形，实现其他材料难以打印的形状，包括较大的打印尺寸。但PLA材料的缺陷在于它不能抵抗温度变化。当温度超过50℃（或122°F）时会发生变形，这也制约了其在3D打印领域的发展。

台湾工业技术研究院（Industrial Technology Research Institute，ITRI）研制了一种PLA混合物，其抵抗温度能达到100℃（或212°F），这一性能或许能提高PLA打印部件的精度。

聚乳酸（PLA）材料具有良好的机械性能和物理性能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用广泛。目前，聚乳酸已经广泛应用于汽车、电子、医疗等领域(16)。

2．成本

目前，提供给消费级桌面3D打印机使用的PLA塑料丝材每千克售价约为100～300元，质量较差的材料批发价也将近每千克60元。

3．实际应用

图3-12中左图和右图分别为3D打印的PLA螺栓和螺母及PLA柠檬榨汁机推杆。

3.4.3　光敏树脂

光敏树脂即UV（Ultrviolet Rays）树脂，一般为液态，在一定波长的紫外光（250～300纳米）照射下能立刻引起聚合反应完成固化，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3D Systems公司和以色列Object公司。常见的光敏树脂有Somos Next材料、树脂Somos 11122材料、Somos 19120材料和环氧树脂。

3.4.3.1　Somos11122材料

1．特点和应用领域

Somos 11122材料具有良好的防水性和尺寸稳定性，能提供多种类似工程塑料的特性，包括ABS和PBT，因此，适用于汽车、医疗、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、快速铸造等领域。

2．成本

目前市场上Somos 11122材料的价位约为800～880元/千克。

3．实际应用

图3-13为用Somos 11122材料打印出来的模型。

3.4.3.2　环氧树脂

1．特点和应用领域

环氧树脂是一种激光快速成型树脂，含灰量极低（800℃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，而且不含重金属锑，可用于制造极其精密的快速铸造型模。主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

2．成本

目前市场上环氧树脂材料的价位与Somos 11122基本一致，约为800～880元/千克。

3．实际应用

左图为环氧树脂打印出的零件，右图为汽车模型打印成品。DrivAer是奥迪A4和宝马3系列的插值模型，是一款长120厘米，宽45厘米，高40厘米的真实模型。这款模型在慕尼黑工业大学的电脑完成设计，然后由3D打印机使用环氧树脂和石膏打印(17)。

3.4.4　陶瓷

陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但陶瓷材料的缺点为硬而脆，导致其加工成型困难，模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种黏结剂粉末所组成的混合物。目前，陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，还没有实现商品化。

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（可达600℃）、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具（杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫）和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

英国布里斯托的西英格兰大学（UWE）的研究人员开发出了一种改进型的3D打印陶瓷技术，该技术可用于定制陶瓷餐具，如漂亮的茶杯和复杂的装饰物（图3-15）。

3.4.5　其他3D打印材料

除了上面介绍的3D打印材料外，目前彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料也越来越多地应用到3D打印中。

3.4.5.1　彩色石膏材料

彩色石膏材料是基于石膏的一种全彩色的3D打印材料，具有易碎、坚固、色彩清晰的特点。其成型原理为粉末介质上逐层打印，故而处理完的3D打印成品表面可能出现细微的颗粒效果，外观类似岩石，曲面表面则可能出现细微的年轮状纹理。目前彩色石膏材料多应用于动漫玩偶、建筑等领域。

目前市场价位约在35～40元/千克。

图3-16为彩色石膏材料打印出的模型。

3.4.5.2　生物材料

3D打印技术应用于医学领域，可用于制造药物、人工器官等。加拿大目前正在研发“骨骼打印机”，利用类似喷墨打印机的技术，将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。打印机会在骨粉制作的薄膜上喷洒一种酸性药剂，使薄膜变得更坚硬。

美国宾夕法尼亚大学已经成功利用3D打印技术打印出鲜肉。首先在实验室培养细胞介质，生成类似鲜肉的代替物质，以水基溶胶为粘合剂，再配合特殊的糖分子制成。除此之外，还有利用人体细胞制作的生物墨水，以及生物纸等尚处于概念发展阶段，通过计算机控制，生物墨水喷到生物纸上，最终形成各种人工器官。

图3-17为Organovo公司利用3D打印技术制作的肝细胞。

3.4.5.3　食品材料

食品材料方面，目前，3D食品打印机主要有3D Systems在CES2014展出的ChefJet和ChefJet Pro两款，以及巴塞罗那Natural Machines公司推出的一款消费级的Foodini 3D食品打印机(18)。

ChefJet系列打印机主要使用糖作为打印材料，Foodini 3D食品打印机则可以打印出糕点、肉饼、巧克力等食品。3D食品打印机在使用时，首先要将准备好的食材原料搅拌成泥状；其次通过喷头将泥状食材按预先设定好的形状及图案喷出，或在模具中喷压成型；最后将成型的食材放入烤箱进行烘烤即可。由于成型图案可预先在设备中进行设定，因此可打印出较多形状可爱的图案，不足是成型表面略显粗糙。图3-18为巧克力打印机打印出来的巧克力。