3D打印技術(shù)課件 第三章 3D打印成型材料

第三章3D打印成型材料1目錄CONTENTS光敏樹(shù)脂材料01金屬材料02石墨烯材料07非金屬材料03生物材料05高分子材料04食用材料062PARTONE第一節(jié)光敏樹(shù)脂材料34知識(shí)目標(biāo)：1、了解光敏樹(shù)脂材料的特點(diǎn)與用途；2、了解光敏樹(shù)脂材料的結(jié)構(gòu)；3、了解光敏樹(shù)脂材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分光敏樹(shù)脂材料；2、能選擇合適的光敏樹(shù)脂材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生崇尚真知和真理，能理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法；2、培養(yǎng)學(xué)生具備理性思維與邏輯，能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)識(shí)事物、解決問(wèn)題、指導(dǎo)行為等；3、培養(yǎng)學(xué)生具有藝術(shù)知識(shí)、技能與方法的積累，能理解和尊重文化藝術(shù)的多樣性，具有發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)美的意識(shí)和基本能力。

5光敏樹(shù)脂在3D打印技術(shù)中常作為主體成型材料使用，不僅如此，也可作為黏結(jié)劑與其他材料配合使用。由于光固化技術(shù)對(duì)使用的光源和固化速度等有一定要求，所以在選擇光敏樹(shù)脂時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的影響。（1）固化速度。光敏樹(shù)脂必須要有適合的光固化速度，過(guò)低或過(guò)高都難以保證相鄰兩層樹(shù)脂之間的契合

（2）黏度。光敏樹(shù)脂要有較低的黏度。在光固化技術(shù)中，當(dāng)加工堆積完成一層時(shí)，由于液態(tài)樹(shù)脂表面張力大于已固化的固態(tài)樹(shù)脂的表面張力導(dǎo)致液態(tài)樹(shù)脂很難自動(dòng)覆蓋已固化的固態(tài)樹(shù)脂的表面，所以此時(shí)就必須使用刮板將樹(shù)脂液面涂覆并刮平，否則不能進(jìn)行下一層的加工（3）光敏特性。光敏樹(shù)脂對(duì)特定波長(zhǎng)的光源要具備高敏感性。（4）收縮率。液態(tài)樹(shù)脂發(fā)生固化后，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，分子間的距離減少了，體積也減小了，這種形體的收縮變形并不規(guī)律，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力容易讓制件產(chǎn)生翹曲、開(kāi)裂等現(xiàn)象，進(jìn)而影響制件的精度。因此需要光敏樹(shù)脂的固化收縮率較小。

6光引發(fā)劑和光敏劑的作用都是引發(fā)聚合的作用，加快聚合過(guò)程。光引發(fā)劑是通過(guò)吸收光能后形成一些活性物質(zhì)如自由基或陽(yáng)離子從而引發(fā)反應(yīng)，主要的光引發(fā)劑包括安息香及其衍生物和苯乙酮衍生物等。一、環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂是一種高分子聚合物，化學(xué)式為(C11H12O3)n，它是指分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類(lèi)聚合物的總稱(chēng)，外觀呈黃色或透明固體或液體。它是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產(chǎn)物。環(huán)氧樹(shù)脂是3D打印技術(shù)中一種常見(jiàn)的黏結(jié)劑，同時(shí)也是一種常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、電絕緣性能和粘接性能等，其其使用工藝的靈活性也是其他熱固性塑料不具備的。環(huán)氧樹(shù)脂具有仲羥基和環(huán)氧基，仲羥基可以與異氰酸酯反應(yīng)。7

環(huán)氧樹(shù)脂根據(jù)分子結(jié)構(gòu)大致可分為縮水甘油醚類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂、縮水甘油酯類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂、縮水甘油胺類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂、線型脂肪族類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂和脂環(huán)族類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂等五類(lèi)。在工業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛用量最大的是縮水甘油醚類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂，而其中又以二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱(chēng)雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂）為主。二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂是由二酚基丙烷與環(huán)氧氯丙烷縮聚而成，是在堿性條件下縮合，經(jīng)水洗、脫溶精制而成的高分子化合物。其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式為8

縮水甘油酯類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂和二酚基丙烷環(huán)氧化樹(shù)脂比較，它具有粘度低，使用工藝性好；反應(yīng)活性高；粘合力比通用環(huán)氧樹(shù)脂高，固化物力學(xué)性能好；電絕緣性好；耐氣候性好，并且具有良好的耐超低溫性，在超低溫條件下，仍具有比其它類(lèi)型環(huán)氧樹(shù)脂高的粘結(jié)強(qiáng)度。有較好的表面光澤度，透光性、耐氣候性好?？s水甘油胺類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂具備優(yōu)良的粘接性和耐熱性，已用來(lái)制造碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料并用于飛機(jī)二次結(jié)構(gòu)材料。脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂的固化物具有較高的壓縮與拉伸強(qiáng)度，能長(zhǎng)期暴置在高溫條件下仍能保持良好的力學(xué)性能，具有較好的耐電弧性、耐紫外光老化性能及耐氣候性。

環(huán)氧樹(shù)脂在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其具備良好的耐化學(xué)性，耐熱性和電絕緣性。環(huán)氧樹(shù)脂涂料主要用作防腐蝕漆、金屬底漆、絕緣漆，但雜環(huán)及脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂制成的涂料可以用于戶外。環(huán)氧樹(shù)脂在粘接領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛，對(duì)鋁、鐵、銅等金屬材料，玻璃、木材、混凝土等非金屬材料和酚醛、氨基、不飽和聚酯等熱固性塑料都有優(yōu)良的粘接性能，因此有萬(wàn)能膠之稱(chēng)。

二、丙烯酸酯9

丙烯酸樹(shù)脂是丙烯酸、甲基丙烯酸及其衍生物聚合物的總稱(chēng)，化學(xué)式為(C3H4O2)n，外觀呈無(wú)色或淡黃色粘性液體。其涂膜性能優(yōu)異，耐光性、耐候性，耐熱性和耐腐蝕性較好，常用于涂料工業(yè)。熱塑性丙烯酸樹(shù)脂由丙烯酸、甲基丙烯酸及其衍生物（如酯類(lèi)、腈類(lèi)、酰胺類(lèi)）聚合制成的一類(lèi)熱塑性樹(shù)脂。

熱固性丙烯酸樹(shù)脂以丙烯酸系單體（丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸甲酯等）為基本成分，經(jīng)交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不溶、不熔丙烯酸系聚合物。使用光固化技術(shù)時(shí)，丙烯酸酯單體可與光引發(fā)劑混合，光引發(fā)劑在可見(jiàn)光區(qū)吸收一定波長(zhǎng)的能量引發(fā)單體聚合交聯(lián)固化反應(yīng)。PARTTOW第二節(jié)金屬材料1011

知識(shí)目標(biāo)：1、了解各類(lèi)金屬材料的特點(diǎn)與用途；2、了解各類(lèi)金屬材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分各類(lèi)金屬材料；2、能選擇合適的金屬材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)和證據(jù)，有實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度；2、培養(yǎng)學(xué)生具有思辨意識(shí)，能正確的獨(dú)立思考與判斷；3、培養(yǎng)學(xué)生善于思考的能力，能多角度、辯證地分析問(wèn)題，做出理性選擇和決定等；4、培養(yǎng)學(xué)生具有良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，能夠根據(jù)不同情境和自身實(shí)際，選擇或調(diào)整學(xué)習(xí)策略和方法。12

常用的金屬材料一般用于金屬粉末顆粒的制備。一、鈦合金鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。鈦是同素異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1668℃，在低于882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為β鈦。

α鈦合金是α相固溶體組成的單相合金，組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，淬火、時(shí)效處理后合金進(jìn)一步強(qiáng)化，強(qiáng)度可達(dá)1372-1666MPa，但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。(α+β)鈦合金是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能。鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。

(1)比強(qiáng)度高：鈦合金的密度一般約為4.51g/cm3，為鋼的60%，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度，所以鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬材料，可制出強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)量輕的制件。序號(hào)材料類(lèi)型抗彎強(qiáng)度彈性模量密度1超硬鋁合金5887.1542.82102耐熱鋁合金4617.1542.81653高強(qiáng)度鎂合金3434.411.81914高強(qiáng)度鈦合金164611.764.53665高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼142120.588178幾種金屬材料的性能比較1314

（2）熱強(qiáng)度高：鈦合金和常用的鋁合金相比具有熱強(qiáng)度高的特點(diǎn)。（3）低溫性能好：鈦合金是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。（4）抗蝕性好：鈦合金在潮濕空氣和海水等介質(zhì)中的抗蝕性遠(yuǎn)好于不銹鋼，對(duì)點(diǎn)蝕和酸蝕有優(yōu)良的抵抗力。鈦合金在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其具有優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的生物相容性，主要用于航空航天、汽車(chē)制造、精密儀器和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

鈦合金在航空航天領(lǐng)城的應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。

對(duì)于有些精密儀器而言，使用傳統(tǒng)的鑄造方法已經(jīng)很難達(dá)到要求。而3D打印技術(shù)在精密儀器的設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，既能降低成本及制造難度也能提高質(zhì)量。二、鋁鋁元素在地殼中的含量居金屬首位，占地殼總量的8.3%，僅次于氧和硅，主要以鋁硅酸鹽礦石的形式存在，還有鋁土礦和冰晶石。鋁是一種銀白色輕金屬，有延展性，如圖所示。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。15

鋁合金按其成分和加工方法分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金是先將合金配制料熔鑄成坯錠，再進(jìn)行塑性變形加工，通過(guò)軋制、擠壓、拉伸、鍛造等方法制成各種塑性加工品。鋁的熔點(diǎn)低，熔點(diǎn)與純度有關(guān)，其粉末顆粒直徑越小熔點(diǎn)越低，在用于3D打印技術(shù)時(shí)，激光燒結(jié)的溫度低于其他金屬材料。鋁的密度小，在用于3D打印技術(shù)時(shí)，所需的支撐要求低于其他金屬材料。鋁合金相比鋁而言，優(yōu)勢(shì)明顯。其具有密度小、彈性好、剛度和強(qiáng)度好、耐磨耐腐蝕性好、抗沖擊性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。其材料的熔點(diǎn)低，成型設(shè)備無(wú)需使用要求較高的激光發(fā)生器，即節(jié)約了成本又降低了能耗，還能保護(hù)激光頭，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在航空航天，汽車(chē)制造等領(lǐng)城已被廣泛地采用且具有良好的發(fā)展前景。鋁16

三、不銹鋼不銹鋼是以鐵為主要成分的合金，有不易生銹、不易腐蝕的特點(diǎn)。個(gè)別品種不銹鋼的不銹性和耐蝕性是由于其表面上富鉻氧化膜的形成。

不銹鋼在用于3D打印技術(shù)時(shí)，通常會(huì)被用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，因?yàn)樗杀苊庠谇邢骷庸r(shí)的弊端。可制造不受幾何形狀限制的零部件，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)制造周期，可快速高效地進(jìn)行小批量復(fù)雜零部件的生產(chǎn)制造等。不銹鋼品種繁多，顏色各異，也常被用于制造模型、藝術(shù)品等。在選擇性激光熔化成型過(guò)程中，高能激光將金屬粉末快速熔化形成小熔池，能促進(jìn)合金元素的分布，快速冷卻抑制了晶粒的長(zhǎng)大及合金元素的偏析，導(dǎo)致金屬基體中固溶的合金元素?zé)o法析出而均勻分布在基體中，進(jìn)而獲得了晶粒細(xì)小、組織均勻的微觀結(jié)構(gòu)，有利于合金元素的自由移動(dòng)和重新分布，可得到力學(xué)性能優(yōu)異的金屬零部件。

四、鎳基合金鎳基合金是指在650-1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類(lèi)合金。按照主要性能分為鎳基耐熱合金，鎳基耐蝕合金，鎳基耐磨合金，鎳基精密合金與鎳基形狀記憶合金等。五、鈷鉻合金鈷鉻合金的主要成分是鈷和鉻，其制作具有耐高溫和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。鈷鉻合金具備良好的機(jī)械性能、抗腐蝕性能和生物相容性。PARTTHREE第三節(jié)非金屬材料1718知識(shí)目標(biāo)：1、了解各類(lèi)無(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)與用途；2、了解各類(lèi)無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)；3、了解無(wú)機(jī)非金屬材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分各類(lèi)無(wú)機(jī)非金屬材料；2、能選擇合適的無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生具有好奇心和想象力，有不畏困難和挫折的勇氣，有堅(jiān)持不懈的探索精神；2、培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新意識(shí)與勇于嘗試的勇敢品質(zhì)，能大膽嘗試，積極尋求有效的問(wèn)題解決方法等；3、培養(yǎng)學(xué)生具有采用新方法解決新問(wèn)題的意識(shí)。19

無(wú)機(jī)非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱(chēng)，與有機(jī)高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。在晶體結(jié)構(gòu)上，無(wú)機(jī)非金屬的晶體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬?gòu)?fù)雜，并且沒(méi)有自由的電子。無(wú)機(jī)非金屬材料是3D打印成型材料中的重要組成部分，它主要用于三維印刷成型技術(shù)。無(wú)機(jī)非金屬材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬或高分子材料，無(wú)法直接用激光燒結(jié)或熱燒結(jié)的成型方法進(jìn)行加工，3D打印時(shí)必須加入黏結(jié)劑。

無(wú)機(jī)非金屬材料在用于3D打印技術(shù)時(shí)應(yīng)符合一定的要求，其主要用于構(gòu)建骨架的無(wú)機(jī)非金屬粉末和用于塑性的黏結(jié)劑。一、陶瓷材料陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類(lèi)無(wú)機(jī)非金屬材料。具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷用途廣泛，它是以天然黏土以及各種天然礦物為主要原料，經(jīng)過(guò)粉碎混煉、成型和煅燒等多道工藝制得的。

陶瓷材料的強(qiáng)度由其化學(xué)鍵所決定，在室溫下幾乎不能滑動(dòng)或錯(cuò)位移動(dòng)，所以很難產(chǎn)生塑性形變，其破壞方式多為脆性斷裂。20

陶瓷材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、高強(qiáng)度、高硬度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等很多優(yōu)點(diǎn)，可用于航空航天、汽車(chē)制造和生物等領(lǐng)域。陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)明顯。

3D打印技術(shù)中，制造陶瓷制品具有所需工藝路線簡(jiǎn)單、加工成型步驟少、自動(dòng)化程度高、材料損耗低、能源消耗小、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

有些3D打印成型技術(shù)主要針對(duì)精細(xì)陶瓷進(jìn)行成型加工，很多相關(guān)制品大多屬于精細(xì)陶瓷的范疇。3D打印所用的陶瓷材料通常是陶瓷粉末和某種黏合劑粉末所組成的混合物，通過(guò)激光燒結(jié)的辦法，熔融黏結(jié)劑粉末實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)非金屬粉末顆粒的成型，然后通過(guò)熱燒結(jié)的方法進(jìn)一步提高制品的機(jī)械強(qiáng)度。

二、石膏材料石膏是單斜晶系礦物，是主要化學(xué)成分為硫酸鈣的水合物。其外形呈長(zhǎng)塊狀或不規(guī)則形纖維狀的結(jié)晶集合體,大小不一，全體白色至灰白色。大塊的石膏上下兩面平坦，無(wú)光澤及紋理,體重質(zhì)松，易分成小塊。21

一般所稱(chēng)石膏可泛指生石膏和硬石膏。這兩種石膏常伴生產(chǎn)出，在一定的地質(zhì)作用下又可互相轉(zhuǎn)化。生石膏也稱(chēng)之為二水石膏、水石膏或軟石膏，其主要成分是二水硫酸鈣，單斜晶系，晶體為板狀，通常呈致密塊狀或纖維狀，顏色呈白色、灰色或褐色，具有玻璃或絲絹光澤。石膏在工業(yè)領(lǐng)域的用途十分廣泛。石膏屬單斜晶系，解理度很高，容易裂開(kāi)成薄片。將石膏加熱至100-200°C，失去部分結(jié)晶水，可得到半水石膏。

利用建筑石膏生產(chǎn)的建筑制品主要以石膏板居多。石膏板可分為紙面石膏板、纖維石膏板和裝飾石膏板等。

石膏具有六方晶系，相比于立方晶系的材料，接近圓柱體的石膏更易于樹(shù)脂的快速滲透。石膏的微膨脹性使得石膏制品表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性和加工性，常用來(lái)制作雕塑等。

在3D打印技術(shù)粉末顆粒狀的成型材料中，石膏是最常用的一種。22

淀粉是植物體中貯存的養(yǎng)分，貯存在種子和塊莖中，各類(lèi)植物中的淀粉含量都較高,如玉米、甘薯、野生橡子和葛根等。它是一種白色、無(wú)嗅、無(wú)味粉末，且具有吸濕性。淀粉的物理性質(zhì)一般有吸附性、溶解度、糊化、回生和膨脹能力等。

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）所提出的淀粉原料制成。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，不污染環(huán)境。PARTFOUR第四節(jié)高分子材料2324

知識(shí)目標(biāo)：1、了解各類(lèi)高分子材料的特點(diǎn)與用途；2、了解各類(lèi)高分子材料的結(jié)構(gòu)；3、了解高分子材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分各類(lèi)高分子材料；2、能選擇合適的高分子材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生具有誠(chéng)實(shí)守信、踏實(shí)細(xì)致、實(shí)事求是的優(yōu)秀品質(zhì)，能努力出色完成每一件日常事務(wù)；2、培養(yǎng)學(xué)生具有動(dòng)手操作能力，掌握一定的勞動(dòng)技能；3、培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新思維，能不斷適應(yīng)環(huán)境的變化，創(chuàng)造性提出問(wèn)題解決方案；4、培養(yǎng)學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)和理解學(xué)習(xí)的價(jià)值，具有積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和濃厚的學(xué)習(xí)興趣。25

高分子化合物也稱(chēng)高分子或高聚物，一般指相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)幾千到幾百萬(wàn)的化合物，絕大多數(shù)高分子化合物是許多相對(duì)分子質(zhì)量不同的同系物的混合物。高分子化合物按來(lái)源可分為天然高分子和合成高分子。按性能可分為塑料、橡膠和纖維。塑料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度（尤其是體型結(jié)構(gòu)的高分子），一般作為結(jié)構(gòu)材料使用。高分子材料是指以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，在用于3D打印技術(shù)時(shí)，主要應(yīng)用于熔融沉積制造技術(shù)。

高分子材料的應(yīng)用十分廣泛。在3D打印技術(shù)領(lǐng)域中，高分子材料具備其它材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。一、ABS材料ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母縮寫(xiě)，是指丙烯腈（Acrylonitrile）、1，3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三種單體的接枝共聚物。它是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子結(jié)構(gòu)材料，又稱(chēng)ABS樹(shù)脂。其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式如下：26

ABS材料外觀為不透明的象牙色粒料，無(wú)毒無(wú)味，光澤度高。其顏色的種類(lèi)很多，有象牙白、藍(lán)色和黑色等。ABS各色材料如圖所示。（a）ABS粒料（b）ABS板材ABS各色材料27

ABS材料的力學(xué)性能優(yōu)良。其耐磨性能好、耐油性好并具良好的尺寸穩(wěn)定性，可用于制造中等轉(zhuǎn)速和載荷的軸承。

ABS是一種用途極廣的熱塑性工程塑料，其具有良好的沖擊強(qiáng)度，較好的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性、耐低溫性以及優(yōu)異的電性能、耐磨性，此外它的抗化學(xué)藥品性也較好，比較適用于機(jī)械加工和成型加工，同時(shí)也是一款重要的3D打印成型材料。ABS同其他材料的結(jié)合性好，易于進(jìn)行噴鍍、焊接、熱壓和黏接等表面印刷與涂覆處理。二、橡膠類(lèi)材料橡膠是指具有可逆形變的高彈性聚合物材料，是一類(lèi)鏈骨架上含有多個(gè)未飽和的雙鍵的聚合物。橡膠類(lèi)材料28

橡膠按原材料來(lái)源不同可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類(lèi)。天然橡膠是從橡膠樹(shù)等植物中提取膠質(zhì)后加工制成，合成橡膠則由各種單體經(jīng)聚合反應(yīng)制成。橡膠的性能指標(biāo)通常有硬度、抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度、回彈性、耐老化性、壓縮永久變形、低溫特性等。三、耐用性尼龍材料尼龍又叫聚酰胺，英文簡(jiǎn)稱(chēng)PA,密度1.15g/cm3,是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)（-NHCO-）的熱塑性樹(shù)脂總稱(chēng)。

尼龍的品種眾多，其主要品種有尼龍-66、尼龍-610、尼龍-1010等。尼龍塑料有很好的耐磨性、韌性和抗沖擊強(qiáng)度，可用作具有自潤(rùn)滑作用的齒輪和軸承的制備。尼龍的不足之處是在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件不穩(wěn)定，吸濕性強(qiáng)，吸濕后的強(qiáng)度雖比干時(shí)強(qiáng)度大，但變形性也大。常見(jiàn)的尼龍制品如圖所示。（a）尼龍棉（b）尼龍線常見(jiàn)的尼龍制品29（c）尼龍布（d）尼龍網(wǎng)30

3D打印尼龍材料屬于一種特殊的耐用性工程尼龍，是一種工程塑料尼龍。分子量較大的工程塑料尼龍由于其優(yōu)越的機(jī)械性能、良好的潤(rùn)滑性和穩(wěn)定性，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。在3D打印制造領(lǐng)域，尼龍的主要性能包含力學(xué)性能、電性能、熱性能、耐化學(xué)藥品性能等。尼龍具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、剛性及耐磨性都比較好，適合制造一些高強(qiáng)度、高韌性的制品。

在選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和熔融沉積制造技術(shù)中均需避免尼龍粉末因摩擦生成靜電對(duì)打印的干擾。同其他高分子材料相比，尼龍材料的分子量通常較小，因此熱變形溫度較低，一般在80℃以下。目前通過(guò)改性有助于提高3D打印尼龍材料的綜合性能、降低吸水性、提高尺寸穩(wěn)定性、提高阻燃性、提高力學(xué)性能、改善低溫脆性、提高耐磨性和降低成本。耐用性尼龍材料在3D打印中的應(yīng)用主要包括制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、薄壁的航天航空設(shè)備管道、葉輪和連接器、汽車(chē)儀表盤(pán)和醫(yī)療設(shè)備等，適用于中小體積的快速制造。31

四、聚碳酸酯材料聚碳酸酯的英文簡(jiǎn)稱(chēng)是PC，它是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類(lèi)型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用，僅有芳香族聚碳酸酯獲得了工業(yè)化生產(chǎn)。由于聚碳酸酯結(jié)構(gòu)上的特殊性，已成為五大工程塑料中增長(zhǎng)速度最快的通用工程塑料。它是無(wú)色高透明度的熱塑性工程塑料。密度為1.20g/cm3-1.22g/cm3，熱變形溫度為135℃。聚碳酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

聚碳酸酯是一種具有耐沖擊、韌性高、耐熱性高、耐化學(xué)腐蝕、耐候性好且透光性好的熱塑性聚合物，被廣泛應(yīng)用于眼鏡片、飲料瓶等各種領(lǐng)域。PC材料的顏色比較單一,只有白色,但其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右,具備超強(qiáng)的工程材料屬性,廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、家電、汽車(chē)制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。PC具有極高的應(yīng)力承載能力,適用于需要經(jīng)受高強(qiáng)度沖擊的產(chǎn)品,因此也常常被用于電動(dòng)工具,汽車(chē)零件等產(chǎn)品的制造。聚碳酸酯粒料如圖所示，聚碳酸酯制品如圖所示。聚碳酸酯粒料聚碳酸酯制品3233

在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，聚碳酸酯與其相關(guān)的特性包括力學(xué)性能、熱性能和電性能等。聚碳酸酯的分子結(jié)構(gòu)使其具有良好的綜合力學(xué)性能，如良好的剛性和穩(wěn)定性，其分子鏈在外力作用下不易移動(dòng)、抗變形好，但它又限制了分子鏈的去向和結(jié)晶，一旦取向，又不易松弛，只是耐應(yīng)力不易消除，容易產(chǎn)生耐應(yīng)力凍結(jié)現(xiàn)象。聚碳酸酯分子主鏈上的苯環(huán)是剛性的，碳酸酯基是極性吸水基，雖然具有柔性，但它與兩個(gè)苯環(huán)構(gòu)成的共軛體系，增加了主鏈的剛性和穩(wěn)定性，因此，聚碳酸酯具有很好的耐高、低溫性質(zhì)。

在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，聚碳酸酯成為熔融沉積制造技術(shù)的材料首選。它的應(yīng)用十分廣泛。在航空航天領(lǐng)城和汽車(chē)制造領(lǐng)域發(fā)展迅猛。在3D打印技術(shù)領(lǐng)域其可以制造各類(lèi)個(gè)性化燈罩和其他透明產(chǎn)品。在建筑領(lǐng)域聚碳酸酯材料因?yàn)榫哂辛己玫耐腹庑浴⑤^好的抗沖擊性能、耐紫外線輻射、尺寸穩(wěn)定性和易于加工成型的特性，所以它比無(wú)機(jī)玻璃更有優(yōu)勢(shì)，利用3D打印技術(shù)制造的聚碳酸酯透明內(nèi)有著良好的發(fā)展前景。34五、聚醚酰亞胺材料聚醚酰亞胺英文簡(jiǎn)稱(chēng)為PEI，它是無(wú)定形聚醚酰亞胺所制造的超級(jí)工程塑料，具有很好的耐高溫性、尺寸穩(wěn)定性、抗化學(xué)性、阻燃性和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，其可廣泛應(yīng)用于照明設(shè)備、液體輸送設(shè)備、飛機(jī)內(nèi)部零件、醫(yī)療設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。聚醚酰亞胺一般為琥珀色的透明固體，在不添加任何添加劑的情況下就具有較好的阻燃性和低煙度。其PEI具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性能、耐輻射性、耐疲勞性能和易成型加工的特性，在高溫下仍具有高的強(qiáng)度、高的剛性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。加入玻璃纖維、碳纖維或其他填充材料時(shí)可達(dá)到增強(qiáng)改性的目的。在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，聚醚酰亞胺材料主要應(yīng)用于熔融沉積制造技術(shù)，它是航空航天、汽車(chē)制造領(lǐng)域產(chǎn)品的理想材料之一。應(yīng)用于制造一些飛機(jī)內(nèi)部組件和管道系統(tǒng)，如舷窗、機(jī)頭部件和內(nèi)壁板等。這種材料可以用加壓成型法制造多種多樣的復(fù)雜零件。它還可以取代金屬制造光纖連接器，這可使該元件結(jié)構(gòu)最佳化，簡(jiǎn)化其制造和裝配，保持更精確的尺寸，進(jìn)而降低成本。PARTFIVE第五節(jié)生物材料3536

知識(shí)目標(biāo)：1、了解生物材料的特點(diǎn)與用途；2、了解生物材料的結(jié)構(gòu)；3、了解生物材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分各類(lèi)生物材料；2、能選擇合適的生物材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生具有敏銳的觀察力，善于發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，有解決問(wèn)題的興趣和熱情；2、培養(yǎng)學(xué)生具有尊重勞動(dòng)的意識(shí)，具有積極的勞動(dòng)態(tài)度和良好的勞動(dòng)習(xí)慣；3、培養(yǎng)學(xué)生具有堅(jiān)韌不拔的毅力，能堅(jiān)持不懈，不達(dá)目標(biāo)不輕易放棄；37

生物材料也稱(chēng)為生物醫(yī)用材料，它是指用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的，并能對(duì)其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再生的一類(lèi)天然或人工合成的特殊功能材料。生物材料種類(lèi)繁多，應(yīng)用十分廣泛。生物材料包含金屬材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料等幾類(lèi)。有機(jī)材料中主要是高分子聚合物材料，高分子材料通常按材料屬性分為合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸和其他醫(yī)用合成塑料和橡膠等)和天然高分子材料（如膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖等）。生物材料主要作用于人體，故而對(duì)其有嚴(yán)格的要求，主要體現(xiàn)在生物功能性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性等方面。

生物材料的性能包括生物相容性、力學(xué)性能、耐生物老化性能以及成型加工技能。生物材料可以根據(jù)不同情況進(jìn)行分類(lèi)。按照材料來(lái)源不同可分為自體材料、同種異體器官及組織、異體器官及組織、天然材料和人工合成材料等。

醫(yī)用不銹鋼具有一定的耐腐蝕性和良好的綜合力學(xué)性能，易于加工成型，在骨外科和齒科中應(yīng)用較多。在使用前進(jìn)行消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高其耐蝕性等。鈷基合金在人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。因其耐磨性較好，適合于具有承載要求的長(zhǎng)期植入件。在整形外科中，用于制造人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及接骨板、骨針和骨釘?shù)取?8一、硅膠材料硅膠也稱(chēng)之為硅酸凝膠，是一種高活性吸附材料，屬非晶態(tài)物質(zhì)。硅膠主要成分是二氧化硅，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不燃燒。硅膠按照性質(zhì)及組分可分為有機(jī)硅膠和無(wú)機(jī)硅膠。

有機(jī)硅膠產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)單元是由硅-氧鏈節(jié)構(gòu)成的，側(cè)鏈則通過(guò)硅原子與其他各種有機(jī)基團(tuán)相連。

有機(jī)硅產(chǎn)品具有優(yōu)異的拒水性，這是電氣設(shè)備在潮濕條件下使用具有高可靠性的保障。聚硅氧烷類(lèi)化合物是已知的最無(wú)活性的化合物中的一種

無(wú)機(jī)硅膠是一種高活性吸附材料，通常是用硅酸鈉和硫酸反應(yīng)，并經(jīng)老化、酸泡等一系列后處理過(guò)程而制得。硅膠根據(jù)其孔徑的大小分為大孔硅膠、粗孔硅膠和細(xì)孔硅膠等。粗孔硅膠在相對(duì)濕度高的情況下有較高的吸附量，細(xì)孔硅膠則在相對(duì)濕度較低的情況下，吸附量高于粗孔硅膠。39

在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，硅膠由于其性能好和成本低的特點(diǎn)，已被應(yīng)用于3D打印成型材料。硅膠材料的黏度很大，用于3D打印比較困難。

二、人工骨粉材料

人工骨粉相對(duì)于傳統(tǒng)骨粉在性能上有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，人工骨粉是一種標(biāo)準(zhǔn)化的原料，其純度高，質(zhì)量穩(wěn)定，可完全實(shí)現(xiàn)骨質(zhì)瓷原料生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化系列化供應(yīng)，從而克服了動(dòng)物骨灰成分波動(dòng)大，供應(yīng)渠道窄和質(zhì)量控制難等缺點(diǎn)，其性能指標(biāo)也優(yōu)于以動(dòng)物骨灰為原料的傳統(tǒng)骨質(zhì)瓷。由于人工骨粉的穩(wěn)定性好，安全無(wú)毒，具有可塑性，其在隆鼻和義齒手術(shù)中有所應(yīng)用?，F(xiàn)在將人工骨粉材料應(yīng)用于3D打印骨骼已成為研究的重點(diǎn)。生物細(xì)胞是指構(gòu)成生物體的基本單元。生物細(xì)胞根據(jù)組成生物體的細(xì)胞有無(wú)核膜包被的細(xì)胞核而分為原核生物的原核細(xì)胞和真核生物的真核細(xì)胞。原核生物是指沒(méi)有成形的細(xì)胞核或線粒體的一類(lèi)單細(xì)胞生物。40

干細(xì)胞是一類(lèi)具有無(wú)限的或者永生的自我更新能力的細(xì)胞、能夠產(chǎn)生至少一種類(lèi)型的、高度分化的子代細(xì)胞。它被稱(chēng)為“萬(wàn)用細(xì)胞”，是一種具有再生各種組織器官和人體的潛在功能的細(xì)胞。在3D打印技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用生物細(xì)胞是一項(xiàng)全新的領(lǐng)域，有很大的發(fā)展空間和前景。通過(guò)3D打印進(jìn)行人體器官再造是人們夢(mèng)寐以求的事情，而如今這個(gè)夢(mèng)想有可能通過(guò)人體干細(xì)胞的3D打印技術(shù)得到實(shí)現(xiàn)。PARTSIX第六節(jié)食用材料4142

知識(shí)目標(biāo)：1、了解食用材料的特點(diǎn)與用途；2、了解食用材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、能區(qū)分各類(lèi)食用材料；2、能選擇合適的食用材料進(jìn)行加工。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生具有勞動(dòng)意識(shí)，具有改進(jìn)和創(chuàng)新勞動(dòng)方式、提高勞動(dòng)效率的意識(shí)；2、培養(yǎng)學(xué)生具有勞動(dòng)意識(shí)，能積極參與生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐；3、培養(yǎng)學(xué)生具有良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，掌握適合自身的學(xué)習(xí)方法。

食用材料是一種新型的3D打印成型材料。新型材料是指新出現(xiàn)的