逆向工程與快速成型技術應用 第4版 課件 6-1 認識快速成型材料

蘇州職業(yè)大學孫春華認識快速成型材料（熟悉快速成型工藝對材料性能的要求，了解不同快速成型材料的性能，認清快速成型材料發(fā)展中存在的問題和未來的發(fā)展趨勢）目錄CONTENTS1.快速成型工藝對材料性能的要求2.快速成型工藝常用材料3.我國快速成型材料的發(fā)展Part1快速成型工藝對材料性能的要求快速成型工藝：Part1快速成型工藝對材料性能的要求所采用材料的性能要求：

（1）有利于快速精確地成型原型零件；

（2）當成型件為間接使用零件，其性能要有利于后續(xù)處理工藝；

（3）當成型件為直接功能件時，其材料要接近制件最終對強度、剛度、耐潮性、熱穩(wěn)定性等的要求。具體體現(xiàn)：概念型對材料成型精度和物理化學特性要求不高，主要要求是成型速度快；測試型對于材料成型后的強度、剛度、耐溫性、抗蝕性等有一定要求，以滿足測試要求；如果用于裝配測試，則對材料成型的精度還有一定的要求。模具型要求材料適應具體模具制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。功能零件則要求材料具有較好的力學性能和化學性能。Part1快速成型工藝對材料性能的要求為使快速成型材料更好地滿足各種要求，所采取的解決方法一方面是研究專用材料以適應專門需要；另一方面是根據(jù)用途，研究幾類通用材料以適應多種需要。Part2快速成型工藝常用材料在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應用領域還有人造骨粉、細胞生物原料等。這些材料都是針對3D打印設備和工藝來研發(fā)的，有不同的形態(tài)，比如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。Part2快速成型工藝常用材料1、塑料

在快速成型領域，塑料如ABS、PLA、PC、尼龍，以及通過不同比例材料混合后產(chǎn)生的120多種軟硬不同的新材料等，因其強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化等性能相對優(yōu)越，而成為最為常用的成型材料。ABS材料是一種石油衍生物，具有耐熱性、抗沖擊性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性等特點，且質(zhì)量輕、價格便宜、經(jīng)久耐用、有一定彈性、容易擠出，非常適用于快速成型，是接受程度僅次于PLA的FDM成型材料。PLA材料是一種可生物降解的熱塑性塑料，來源于可再生的植物資源（如玉米、甜菜、木薯和甘蔗）所提取的淀粉原料,具有良好的生物可降解性，對環(huán)境保護非常有利，是公認的環(huán)境友好材料，甚至被稱為“綠色塑料”，是RP愛好者喜歡使用的材料。Part2快速成型工藝常用材料TPU/TPE材料是一種柔軟但又具備足夠韌性的材料，非常適合成型類橡膠性能的零件。它具有很大的彈性，可以反復拉伸、移動和沖擊，而不會磨損或降解。TPE是熱塑性彈性體，可以制造伸展性特別好的物體，通常用于汽車部件、家用電器、醫(yī)療用品、鞋底、密封件、智能手機蓋、腕帶等生產(chǎn)中。PEEK材料是一種半結晶熱塑性塑料，被認為是世界上性能最好的工程熱塑性塑料之一。PEEK可用于制造航空航天、汽車、石油天然氣和醫(yī)療行業(yè)的苛刻應用物品。在生物醫(yī)學領域，PEEK具有優(yōu)良生物相容性。Part2快速成型工藝常用材料尼龍線材有優(yōu)良的韌性、耐磨性、耐疲勞性等優(yōu)點，在工業(yè)上廣泛應用?；旌喜牧希涸赑LA/ABS中混合其他材料的FDM成型材料，所成型件呈現(xiàn)出的不同質(zhì)感可以滿足不同性能需求。（a）木質(zhì)感

（b）金屬質(zhì)感

（c）碳纖維

（d）夜色熒光Part2快速成型工藝常用材料2、光敏樹脂光敏樹脂，即UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光(紫外光)引發(fā)劑(或稱光敏劑)，在一定波長的紫外光(250～300nm)照射下能夠立刻引起聚合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作具有高強度、耐高溫、防水產(chǎn)品。常見的光敏樹脂有somosNEXT材料、somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂.Part2快速成型工藝常用材料3、金屬材料快速成型用金屬材料主要有粉末和絲材形式。金屬絲材與傳統(tǒng)焊絲相同，理論上凡能在工藝條件下熔化的金屬都可作為快速成型的材料。粉末是最常用的成型材料形式，所采用的快速成型工藝主要有選擇性激光燒結SLS、電子束熔融EBM、選擇性激光溶化SLM和激光近凈成形LENS。與金屬快速成型工藝的多樣性相比，適用于快速成型的金屬材料卻較為有限，尤其是工業(yè)級的成型材料，只有十余種，因為只有純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低的金屬粉末材料，才能滿足金屬零件的快速成型需求。目前，應用于快速成型的金屬粉末材料主要有鈦合金、不銹鋼、鋁合金、高溫合金、鎂合金等，此外還有用于成型首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。Part2快速成型工藝常用材料鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點，在航空航天、化工、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療器械等領域得到了廣泛的應用，主要用于成型飛機發(fā)動機壓氣機部件火箭、導彈和飛機，以及生物骨骼及其醫(yī)學替代器件。Part2快速成型工藝常用材料鋁合金具有優(yōu)良的物理、化學和力學性能，在許多領域獲得了廣泛的應用，但由于鋁合金自身的特性（如易氧化、高反射性和導熱性等）增加了SLM制造的難度。鋁硅AlSi12，是具有良好熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應用于薄壁零件的成型。Si/Mg組合使鋁合金具有較高的強度和硬度，較為適用于快速成型薄壁以及復雜幾何形狀零件。Part2快速成型工藝常用材料高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金三大類。高溫合金主要用于高性能發(fā)動機，在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料的使用量占發(fā)動機總質(zhì)量的40%-60%。圖7-5快速成型的高溫合金件Part2快速成型工藝常用材料工具鋼的適用性來源于其優(yōu)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。Part2快速成型工藝常用材料較為常用的陶瓷材料是由陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物，采用3DP、SLS、SLM等快速成型工藝來成型。然而由于粘結劑份量對零件的尺寸精度影響較大，導致陶瓷快速成形直接制造并不成熟。目前國內(nèi)外利用陶瓷材料進行快速成型仍處于研究階段，尚未真正實現(xiàn)商品化。4、陶瓷材料Part2快速成型工藝常用材料常用成型材料的優(yōu)缺點分析材料名稱優(yōu)點缺點應用領域工程塑料強度和硬度較高、耐沖擊性、耐熱性、抗老化性產(chǎn)品易出現(xiàn)各向異性汽車、加點、電子消費品、航空航天、醫(yī)療器械光敏樹脂高強度、耐高溫、防水加工速度慢，有一定污染可用于制作高強度、耐高溫、防水材料金屬材料金屬性、延展性、較高的力學性能和表面質(zhì)量制備成本高、品質(zhì)控制困難，產(chǎn)品容易產(chǎn)生疏松航空航天、汽車、模具制造陶瓷材料高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕等制備成本高、品質(zhì)控困難、打印設備功率高航空航天、汽車、生物等行業(yè)細胞生物原料生物相容性好產(chǎn)量低，配套的成型設備技術要求高與醫(yī)學、組織工程相結合，可制造出藥物、人工器官等用于治療疾病Part3我國快速成型材料的發(fā)展快速成型技術產(chǎn)業(yè)鏈成型材料作為快速成型技術的物質(zhì)基礎，其性能和價格將成為制約該技術發(fā)展的瓶頸。Part3我國快速成型材料的發(fā)展快速成型原材料市場占比情況：在我國整個3D打印市場中，金屬類材料，鈦合金、鋁合金、不銹鋼分別占20.2%、10.0%、9.1%，合計占比39.3%，其余多為非金屬材料，包括尼龍、PLA、ABS塑料、樹脂等。Part3我國快速成型材料的發(fā)展

所存在的問題：（1）可適用的材料成熟度跟不上快速成型市場的發(fā)展速度。（2）價格高，研發(fā)難度大?？焖俪尚筒牧弦话阋髲姸雀?、耐腐蝕、耐高溫、比重小、具有良好的可燒結性，同時，還要求材料無毒、環(huán)保，性能穩(wěn)定，能夠滿足快速成型持續(xù)可靠運行。另外，還要求材料的經(jīng)濟性好，簡單說就是成本低，客戶用得起。快速成型材料價格降低的主要途徑只能是關鍵技術的突破，但目前這一點還難以解決。（3）材料市場對國產(chǎn)材料的技術含量和水平不夠信任，認可度低。（4）成型材料對人體的安全性與對環(huán)境的友好性之間存在相對較大的矛盾。（5）缺乏標準化及系列化規(guī)范。Part3我國快速成型材料的發(fā)展發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：（1）中國快速成型材料行業(yè)起步于1988年，隨著下游應用領域不斷深化與擴大，行業(yè)也不斷迎來新的發(fā)展。（2）目前我國成型材料生產(chǎn)較為落后，多數(shù)成型材料還依賴國外進口。（3）此外，國產(chǎn)成型材料價格也相對較高，一方面源于國外的專利和壟斷，另一方面，我國快速成型產(chǎn)業(yè)起步晚，市場規(guī)模相對較小，需求量少，自主化程度低，無法實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，制作成本高昂。（4）隨著我國高端制造業(yè)的升級發(fā)展、技術的發(fā)展和成本的下降，快速成型技術將脫離孤島，可以更多的應用于下游領域中。Part3我國快速成型材料的發(fā)展（5）未來我國成型材料行業(yè)將會呈現(xiàn)國產(chǎn)化程度越來越高的趨勢。隨之帶來的首要變化必將是材料企業(yè)向技術含量更高，產(chǎn)品附加值更高的水平發(fā)展。2020-2025年中國成型材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模（單位：億元）《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》提出到2020年，要實現(xiàn)80%以上材料國產(chǎn)化，3D打印材料市場將會面臨巨大的發(fā)展空間。2020-2025年我國3D打印材料產(chǎn)值將保持20%以上的平均復合增速，到2025年，產(chǎn)值規(guī)模將達到122億元左右。思考與練習