3D打印技?也称增材刉技?是以三维模型数据为基Q采用逐层累加材料的方式制造实体零件的技术，与传l的去除刉?切削加工)Ҏ(gu)完全相反Q可以短周期快速制造成型Q意外形结构的复杂零gQ实C性化刉，现已q泛应用于牙U诊疗、组l工E?/span>汽R刉、航I天及(qing)家庭应用{领域?/span>
FDMQF(tun)usedDepositionModelingQ，即熔融沉U成型技术，是应用最q泛、最h生命力的3D打印技术，但要用于FDM3D打印机的耗材Q不仅要满高机械强度、低收羃率、适合熔融温度{要求，而且更要满安全、无毒、无刺激性等环保要求。目前，FDM技术在工业上也已经有了(jin)实际应用。例如日本丰田公司利用FDM技术仅在Avalon汽R4个门把手上就省下?jin)超q?0万美元的加工费用?016q??6日，NASA一台FDM?D打印机送入太空Q以评在太I微重力条g?D打印技术的工作情况Qƈ且可以帮助宇航员打印在太I所需的物品。FDM技术在打印刉细?yu)蝲体支架、食品等领域也有应用?/span>
1.3D打印
材料?D打印技术发展的重要基础QFDM主要采用丝状材料矌、金属、塑料、低熔点合金作ؓ(f)原材料，h可黏合性的聚合物材料是目前应用最q泛的FDM成Ş材料?/span>
2.用于FDM?D打印材料
FDM材料要满_下要求：(x)①材料必d有热塑性；②基于uQ的工作原理，喷嘴处加热熔融的打印耗材Q需要通过未熔融耗材自n的压力挤出，所以要求材料具有较低的_度和较高的机械强度Q刚度、强度和初性）(j)Q③相对低的ȝ化温度和熔融温度?/span>
目前可用于FDM的原料的高分子材料，主要是ABS、PLA、PC、PPSF、PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇?和热塑性聚酯弹性体{?/span>
2.1ABS
ABS?wi)脂是目前通过熔融沉积3D打印的首选和最常用的热塑性塑料之一。利用ABS?wi)脂q行熔融沉积成ŞӞ其优Ҏ(gu)强度、韧性、机械加工性等l合性能较好Q耐热耐寒Q化学稳定性好Q电(sh)l缘性能良好Q缺Ҏ(gu)热收~率高，模型Ҏ(gu)变ŞQ，当打印至一定厚度时Q温度场不均匀引v的收~往往使ABS制g从底板上局部脱，产生曲、开裂等问题Q工作时?x)生刺ȝ有害气体Q利用桌面3D打印机打印时Q打印表面易出现h现象?014q国际空间站用ABS塑料3D打印Zؓ(f)其打印零Ӟ世界上最大的3D打印机材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30Q专?D打印刉设计，机械性能比传l的ABS材料提高?7%Q从而扩大了(jin)ABS的应用范_(d)Stratasys公司发布的第2代数码ABS2Q这U新型材料可以通过3D打印薄壁的电(sh)子器Ӟ而且h良好的热E_性和寸E_性。初创公?DXTech采用100%的纯ABS?wi)脂和多壁碳U米开发出?DXNnoESD材料Q可用于打印一些关键零件在汽R、电(sh)子、电(sh)气中得到应用。目前ؓ(f)止，研究者已l系l研I了(jin)挤丝速度、出丝直径、挤丝高度、扫描速度、扫描沉U方式、喷嘴出口温度、成型室环境温度{工艺参数对ABS成型件的密度、拉伸强度及(qing)模量、弯曲强度及(qing)模量、曲挠强度等性能以及(qing)制g的精度和表面光洁度的影响,通过优化工艺参数QABS的FDM成型件已能满_际品的性能要求?/span>
许多研究者对ABS材料q行?jin)相关的?gu)研IӞ通过填充Ҏ(gu)及(qing)共Ҏ(gu)提高其性能和打印效果是常见且有效的途径。ALGIX3D公司推出q一Ƒ֟于ABS的生?D打印U材DURAQ保持了(jin)ABSU材的基本物理性能Q却更加健康环保。与普通的ABS相比Q该U材不但使打印制品具有更_的表面质量，实现?jin)更高的打印分L率，且毒性和挥发性更低。M.L.Shofner{采?0%的气相生长碳U维来增?D打印ABS耗材Q其拉伸强度和拉Ҏ(gu)模量得到较大提高。邹锦光{以钛酸酯偶联剂处理的纳c_늂黑掺入ABS?wi)脂中进行改性，获得?jin)具有导甉|能?D打印ABS耗材。Wei{对3D打印矛_烯复合材料进行了(jin)研究。通过一pd处理得到不同l分的石墨烯QABS(GABS)复合材料以及(qing)矛_烯－聚^?G-PLA)复合材料Q再这些石墨烯复合材料q一步拉挤成直径?.75mm的线材于3D打印行打印制造。结果显C：(x)当石墨烯质量分数过5.6Q时G-ABS不能利从打印机喷嘴挤出Q打印材料不均匀。这是由于石墨烯聚集在ABS中分散不均匀堵塞喷嘴所_(d)而G-PLA的最x印条件是矛_烯质量分Cؓ(f)0.8%。Zhong{通过加入几种不同的改性剂包括短玻璃纤l_(d)增塑剂和增容剂来Ҏ(gu)ABS。v初研I发现玻璃纤l能显著改善ABSU材的强度，但材料的柔韧性下降及(qing)可操作性变难；其后通过加入增韧剂和增容剂发现玻璃纤l增强的ABSU材的柔韧性和可操作性得到改善。最后将所得到的复合材料进行挤出制备线材，在FDM上能很好的打印成型。Shofner{采用熔融沉U法开发纳c纤l增强ABS复合材料。原料线材由单壁纳c管和ＡQＳ塑料l成。与未填充的ABS样品相比Q当单壁纳c管填充量ؓ(f)10wt%Ӟ复合材料的拉伸强度和拉模量分别增加?jin)?0%?0%?/span>
2.2聚^酸（PLAQ?/span>
PLA是早期用于FDM技术中打印效果最好的材料Q它本nh良好的光泽质感，易于着色成多种颜色。PLA是一U环境友好型塑料Q它主要源于玉米淀(wn)_和甘蔗{可再生资源Q而非化石燃料。PLA的收~率低，韧性好强度高，但不耐热Q化学稳定性差Q燃烧时火焰呈蓝Ԍ无烟Q气温温和，起丝较长。PLA加工方便Q具有较低的熔体强度Q打印模型更Ҏ(gu)塑Ş。借助?D打印机的风扇板对PLA所打印模型的快速冷却和定型Q能够有效避免模型的曲变ŞQ因此用PLA可以完成一pd其他材料难以打印的复杂Ş状。PLA?D熔融沉积打印中打印出来的样品成型好、不边、外观光滑。但是，它也存在不耐高温，抗冲ȝ力学性能不佳{缺P而且׃PLA是晶体，相变时会(x)吸收喷嘴的热能，因此部分PLA可喷嘴堵塞的可能性更大?/span>
Z(jin)提升PLA打印件的强度Q近q来Q学术界展开?jin)PLAҎ(gu)的针对性研IӞq且成果显著。陈卫等以熔融共h式将适当扩链剂添加入PLA中，制备?jin)改性PLA耗材Q其打印制g的缺口冲d度比UPLA材料增加?40%。美国橡?wi)岭国家实验室的研究人员正在研发q测试竹U维复合的PLA打印材料Qؓ(f)定q种生物基材料是否可用于增材刉。ؓ(f)此，研究人员们已开发出分别含有10%?0%竹纤l的PLA3D打印材料Qƈ其作ؓ(f)Cincinnati公司的大寸BAAM3D打印机的耗材Q成功打印出桌子{大型制品。由于这两种材料都是完全Z生物成分的，保证?jin)其环保和可持箋性。新加坡南洋理工大学的TanKH{在应用PLA刉组l工E支架方面的研究中，采用3D技术成型生物可降解的高分子材料Q制造了(jin)高孔隙度的PLAl织工程支架Q通过对该支架q行l织分析Q发现其h生长能力。成都新柯力化工U技有限公司Q以下简U“成都新柯力”）(j)利用低温微细反应技术，通过PLA冷冻微细处理后进行共混增强，大幅提升?jin)改性的均匀性，对聚乳酸的韧性、冲d度和热变形温度都有很大程度的提高QPLA?D打印材料中具有更加广阔的应用前景?/span>
2.3龙QPAQ?/span>
PA强度高，同时h一定的柔韧性，因此可直接利?D打印刉设备零部g。利?D打印刉的PA纤l复合塑料树(wi)脂零件强度韧性很高，可用于机械工具代曉K属工兗烦(ch)?dng)维公司作?f)全球PA工程塑料的专ӞZPA的工E塑料进?D打印样gQ用于发动机周边零g、门把手套g、刹车踏板等Q用工程塑料替代传统的金属材料，最l解决了(jin)汽R的轻量化问题。美国的3D打印Z应商MatterHackers公司推出?jin)一Ƒ֏U最强的3D打印U材NylonXQ该材料为碳U维复合的尼龙材料。该公司U其h“优异的韧性和耐久性，同时h?gu)的耐化学腐蚀和耐磨损性”，能够打印出特别高强度的功能部件。不q，q种材料需?50-265℃的打印温度{较高的打印条gQ很?D打印Z支持打印q种材料。S.H.Masood{h开发了(jin)一U新的用于熔融沉U成型的铁粒?龙复合材料,q且该材料可应用于快速模L(fng)接制造。由该材料制成的原料丝己l成功用于FDMpȝQ离质量的塑料零件己l由注射成型制得。这研I展C(jin)快速模具制造在降低成本和时间上的重大发展?/span>
2.4聚碳酔RQPCQ?/span>
PCh优异的强度，其强度比ABS材料高出60%左右Q因此适合于超强工E制品的应用。d国拜耛_司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树(wi)脂镜片、R头灯|、宇航员头盔面罩、智能手机的n、机械轮等异型构g?D打印刉?001qstratasys公司推出?jin)支持FDM技术的工程材料PC。用该材料生产的原型可达到ƈ过ABS注射成型的强度，其耐热温度为（125?45Q℃。该材料的用量正在q速增加。Stratasys公司开发了(jin)工程材料PC/ABS。PC/ABSl合?jin)PC的强度以?qing)ABS的韧性，性能明显ZABS?/span>
2.5聚苯?PPSF)
PPSF俗称聚纤l酯Q在所有热塑性材料中h最高的耐热性、强韧性以?qing)耐化学品性，q泛应用于航I、航天、交通以?qing)医疗等领域。在各种快速成型工E塑料材料之中性能最佻I通过纤l、石墨的复合处理QPPSF昄出极高的强度Q可用于3D打印刉高承受负荷的制品，成ؓ(f)替代金属、陶L(fng)首选材料?002qstratasys公司又推Z(jin)支持FDM技术的工程材料PPSFQ其耐热温度为（207.2?30Q℃Q适合高温的工作环境。在各种快速成型工E材料之中，PPSF有着最高的耐热性、强韧性以?qing)耐化学品性?/span>
2.6聚醚醚酮(PEEK)
PEEKh优异的耐磨性、生物相Ҏ(gu)、化学稳定性以?qing)杨氏模量最接近人骨{优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入Z。基于熔融沉U成型原理的3D打印技术安全方ѝ无需使用Ȁ光器、后处理单，通过与PEEK材料l合刉仿生h工骨。国内吉林大学在PEEK领域q行深入研究Qƈ甌多项发明专利Q其中专利CN103707507A公开?jin)一UPEEK仿生人工骨的3D打印刉方法，利用可以替代金属且具有优良生物相Ҏ(gu)的PEEK材料q行仿生人工骨的3D打印刉?/span>
另外PEEK作ؓ(f)一U性能优异的工E塑料，可用于航I天、核工程和高端的机械刉等高技术领域。包括众?D打印企业在内的公叔R惌充分利用PEEK所h的独特优势，q而实现高性能的零件制造。比如，ImpossibleObjects公司新推出?jin)一个PEEK/纤l复合材料的3D打印耗材品种。国内外的很多企业和专家也都看好PEEK应用于汽车等领域?/span>
2.7聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇?PETG)
PETG是最q才应用?D打印的一U无毒、符合环保要求的生物酯。PETG是一U低l晶度共聚酯Q疏水性良好，h高光泽表面和良好的注塑加工性能。PETG用作3D打印材料Ӟ兼具?jin)PLA和ABS的优点，且打印温度低Q几乎没有气呻I材料收羃率非怽Q品尺寸稳定性好Q无曲现象产生。因此PETG?qing)其衍生物?D打印领域具有更为广阔的应用前景。ESUN开发出一Ƒօ有突出韧性和高强度抗冲击性的PETGQ突破了(jin)传统聚丙烯酸酯类产品的局限，其抗冲击力是Ҏ(gu)聚丙烯酔Rcȝ3?0倍，其与聚氯乙烯(PVC)相比Q透明度更高、光泽好Q更便于3D打印且具有环保的优势?/span>
2.8聚己内酯QPCLQ?/span>
PCL是一U生物可降解聚酯Q熔点较低，只有60℃左叟뀂与大部分生物材料一PZ常常把它用作Ҏ(gu)用途如药物传输讑֤、缝合剂{，同时QPCLq具有Ş状记忆性。在3D打印中，׃它熔点低Q所以ƈ不需要很高的打印温度Q从而达到节能的目的。同Ӟ也由于熔点低使得它可以有效避免h员操作时的烫伤。另外，因ؓ(f)其具有Ş状记忆的Ҏ(gu)，它得打印出来的东西h“记忆”，在特定条件下Q可以其恢复到原先讑֮的Ş状。在d领域Q可用来打印?j)脏支架{。针对PCL强度低的~陷Q中国科学院化学研究所研究?jin)一U高强度的可生物降解的PCL3D打印材料Q通过针对性的选用无机l分对PCLq行Ҏ(gu)处理，使得PCLҎ(gu)材料表现出?jin)优异的抗冲d度及(qing)耐蠕变性能。新加坡南洋理工大学的Hutmater{通过FDM技术把PCL制备?jin)蜂H状、内部完全诏通的可降?Dl织工程支架材料Q其通道寸?60-700μmQ孔隙率?8%-77%。材料的压羃度可从4-77MPa范围内变化，而屈服强度ؓ(f)0.4-3.6MPaQ屈服应变ؓ(f)4%-28%。材料的孔隙率压~性质h高度的相x?/span>
2.9热塑性聚氨酯Ҏ(gu)体(TPU)
2016q?0月，Graphene3D公司推出?jin)一ƾ柔性的导电(sh)TPUU材Q这是该公司设计的一N用于FDM技术的导电(sh)?D打印材料。不但能够导?sh)，而且十分柔Y。该材料可以用于柔性导늺路、柔性传感器、射频屏蔽，以及(qing)可穿戴式?sh)子产品的柔性电(sh)极等?/span>
3.发展势
虽然研究者们在打印材料上的研I己l取得了(jin)一定的q展Q但其性能依然不能满FDMҎ(gu)料的各种要求Q也不能刉出功能齐全的零Ӟ限制?jin)FDM和其它快速成型技术的应用。因此合成新的具有高强度的热塑性塑料和对现有的热塑性塑料的性能q行Ҏ(gu)成为研I热炏V?/span>
塑料材料用于3D打印׃材料的特D性，在一些领域应用受到限制。但如果赋予塑料一些功能，?x)大大拓展塑料?D打印刉领域的应用范围。通过复合使具有功能的材料?D打印成型时直接填入塑料。如电(sh)场、温度场、湿度、光、pH值等敏感材料通过3D打印用于塑料获得材料Q利用有合物金属粉末粘接制备具有Ş状记忆功能的合金?/span>
西安交通大学机械制造系l工E国安点实验室利用导电(sh)聚合物以?qing)水凝胶与导电(sh)颗_合体作ؓ(f)甉|材料Q利?D打印技术制造了(jin)导电(sh)水凝胶电(sh)极材料；在生物医疗领域，利用3D打印技术制备双道聚^?β-酸三钙生物陶瓷复合材料支架Q具有可控的多孔l构Q力学性能明显增强。英国华威大学研制出一U新型导?sh)塑料复合材料，而这U材料的最大特Ҏ(gu)可供Z打印W合自己意愿的电(sh)子品，从而减不必要的电(sh)子废弃物。另外，塑料通过功能化利?D技术可以制作高分子光伏材料、高分子光电(sh)材料、高分子储能材料{?/span>
