增材制造原材料发展现状

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1、增材制造原材料发展现状　　DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.047　　摘要：增材制造是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，对传统机械制造行业产生了巨大的影响。原材料作为增材制造的物质基础，其性能和价格将是制约增材制造快速发展的瓶颈。根据化学成分分类综述了高分子材料、金属材料、陶瓷材料在增材制造领域的应用现状，指出国内增材制造原材料的问题和差距，并对未来的发展方向进行展望。　　关键词：增材制造高分子材料金属材料陶瓷材料　　中图分类号：TG148文献标识码：A文章

2、编号：1672-3791（2016）08（c）-0047-04　　增材制造是计算机辅助设计、材料加工和成形技术的集成，以数字化模型文件为基础，通过软件和数控系统将特制材料逐层固化成型，从而制造出实体产品。不同于传统的加工模式，它将原材料切割、组装变成材料累加。这种新的技术特点，使得它受到全世界的广泛关注，可能会给传统的制造业带来深刻的变化[1-2]。13　　根据成型技术原理以及所使用材料的不同，增材制造技术可分为激光熔覆成型技术（LCF）、熔融沉积快速成型技术（FDM）、选择性激光烧结技术（SLS）、立体光固化技术（SLA）、三维印

3、刷成型（3DP）等。在增材制造的各种工艺中，原材料对制品的成型和使用性能将起到决定性的影响，也是目前需要进一步突破的技术瓶颈。增材制造原材料根据材料的化学组成，可分为高分子材料、金属材料和陶瓷材料。该文分类综述了常见的增材制造原材料的研究现状。　　1增材制造高分子材料研究进展　　高分子材料是增材制造原材料中用量最大、应用范围最广、成型方式最多的材料，主要包括高分子丝材、光敏树脂及高分子粉末3种形式。　　（1）高分子丝材，高分子丝材主要适用FDM技术，目前主要有聚乳酸（PLA）、丙烯腈―丁二烯―苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）

4、、聚苯砜（PPSF）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环乙烷二甲醇酯（PETG）等[3]。　　PLA是一种新型的可生物降解的热塑性树脂，利用从可再生的植物资料（如玉米）中提取的淀粉原料经发酵过程制成乳酸，再通过化学方法转化成聚乳酸[4]。PLA最终能降解生成二氧化碳和水，不会对人体及环境带来危害，是一种环境友好型材料。此外，PLA还具有优良的力学性能、热塑性、成纤性、透明性和生物相容性，是起初使用得最好的原材料。但它也有缺点，主要表现在当温度超过50℃时会发生变形，甚至发生软化，这对使用者带来很大麻烦。台湾工业技术研究院开发了一种聚乳

5、酸混合料，使用温度能达到100℃，使得PLA打印部件的精度得以提高[5]。13　　具有良好的绝缘性能、抗腐蚀性能、耐低温性能的ABS丝材，是FDM中最常用的热塑性工程塑料。闵玉勤等研究发现：ABS丝材除了具有表面易着色、耐冲击性能高、强度高、韧性好等优点外，还具有成型性能好、制品强度高、韧性好等优点。但也存在一些不足：制品易收缩变形，表面易发生层间剥离及翘曲等现象[3]。仲伟虹研究发现：通过往ABS中加入短玻璃纤维，可以显著提高采用ABS树脂的硬度和强度，并降低收缩率，减少制品的变形量[4]；将ABS溶解到丙酮中使用，或者采用发胶喷

6、射能够避免制品表面发生卷曲现象[5]。　　PC是分子链中含有碳酸酯基的一类聚合物总称，是一种性能优良的热塑性工程树脂，具有无味、无毒、强度高、抗冲击性能好、收缩率低等优点，此外还具有良好的阻燃特性和抗污染特性[3]。PC丝材的强度比ABS丝材高出60%左右，具备超强的工程材料属性。但也存在以下不足：颜色较单一，只有白色；且一般都含有双酚A，而双酚A是一种致癌物质，在加热时会析出被人体吸收，影响人体代谢过程，尤其对婴幼儿的发育、免疫力危害更大。已有国内厂家选用德国拜耳公司的食品级PC原料制作，不含双酚A，可用于增材制造[4]。　　作为

7、所有热塑性材料中强度最高、耐热性最好、抗腐蚀性最强的PPSF丝材，也适用于FDM技术。Stratasys公司于2002年推出了适合FDM技术的工程塑料PPSF，其耐热温度为207℃～230℃，适合高温工作环境。在各种快速成型热塑性材料中，PPSF的耐热性、强韧性以及耐化学品性最好[8]。　　PETG是最近才被应用于增材制造领域的一种新型聚酯，具有优异的光学性能、高光泽表面以及良好的注塑加工性能，此外还有无毒、环保等优良特性。它不仅能解决PLA丝材韧性不足的问题，还能克服ABS丝材易收缩、打印产品尺寸稳定性不佳等问题。目前国内外关于这

8、个材料的研究报道还较少。13　　（2）光敏树脂，光敏树脂是指通过照射一定波长的紫外光即可引发聚合反应，从而实现固化的一类高分子材料。近年来增材制造技术风起云涌，光敏树脂也逐渐走向大众市场。光敏树脂在SLA、DLP、3DP等成形技术上都