3D打印与3D打印材料

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。作为21世纪最具革命性的技术之一,3D打印技术备受瞩目。3D打印技术将信息技术与工业制造相结合,以柔性化的生产方式来满足不断增强的个性化需求, 实现了制造技术的革命性突破,被认为是"第三次工业革命"的技术代表.。

由于3D打印制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理，是对传统制造模式的一种颠覆，因此，3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，同时也是3D打印突破创新的关键点和难点所在，只有进行更多新材料的开发才能拓展3D打印技术的应用领域。

3D 打印材料从形态上主要包含四种：液态光敏树脂材料、薄材、低熔点丝材和粉末材料；从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料，包括塑料、树脂、蜡等高分子材料，金属和合金材料，陶瓷材料和复合材料等。

目前，应用最普遍的是各类工程塑料，包括ABS材料、PA材料、PC材料、PPFS材料、PEEK材料、EP材料、Endur材料等。

空心玻璃微球与3D 打印材料

空心玻璃微球是用于3D 打印的各类工程塑料、复合材料的“最佳拍档”。

空心玻璃微球，在各类工程塑料、复合材料中通常用于替代传统的填料和添加剂。它是一种中空、薄壁、坚硬、轻质的球体，具有高的强度/密度比。其优点远不止轻量化，其球形构造和材料属性提供了许多独特的增强功能，可以帮助塑料、复合材料加工商、OEM制造商和最终用户在获得更轻、尺寸更稳定、冲击强度更高、生产速度更快的制品的同时扩大设计自由度。此外，空心玻璃微球化学性质稳定，不燃烧，无孔，具有优良的耐水性；镀银的空心玻璃微球能提供良好的导电性，重量比较轻，可以提供足够的屏蔽电磁干扰能力。

空心玻璃微球在3D打印材料中的应用举例

1、复合尼龙粉末材料

2016年，华曙高科开发成功可3D打印的玻璃微球复合尼龙粉末材料FS3400GF。该产品最大优势是采用了中空的玻璃微球填充尼龙，不但成型加工性能优异，而且能帮助客户降低成本。同时，耐磨性能高、模量高，相对纯尼龙材料刚性更高，适用于制备功能测试工件。另外，该产品热变形温度较高，制造的产品工件翘曲变形小，具有优异的尺寸稳定性，工件质量稳定。

（引自湖南华曙高科技有限责任公司网站）

2、3D打印用ABS材料

2018年，北京燕山石化高科技术有限责任公司开发了以丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)为基体,以空心玻璃微球(HGB)、聚碳酸酯(PC)及相容剂马来酸酐接枝ABS (ABS-g-MAH)为改性剂的3D打印用ABS材料。该材料通过挤出成型制备改性ABS线材,采用3D打印技术中的熔融沉积成型(FDM)技术打印相关制品，具有较好的综合性能。其拉伸强度、弯曲弹性模量及热变形温度较未改性ABS材料分别提高了20.9%,18%,4.8%,收缩率由1%下降至0.6%,能够打印大尺寸制品而 不发生翘曲及开裂。

（引自《工程塑料应用》2018年9月期文献《3D打印用ABS的改性与制备》）

3、3D打印用聚酰胺材料

2018年3月，德国3D打印公司EOS推出了三款适用于工业应用的新型3D打印材料。其中最新的产品是ALM PA 640-GSL，它被描述为“聚酰胺12材料”，填充有中空玻璃微球和碳纤维。新材料具有与普通玻璃填充聚酰胺几乎相同的性能，但由于微球体是中空的，因此其重量更轻，据报道，组件密度为0.82g /cm³。ALM PA 640-GSL设计用于生产重量轻且坚固的部件。EOS表示，除了这些特性之外，新型3D打印材料还具有良好的耐热性和“卓越的表面质量”。该材料可能是这一类产品中功能最多的，可应用于航空航天，赛车运动，航运，运动和模型制造业。

（引自中国3D打印网2018年2月17日报道《EOS子公司ALM下月发布三款新的工业3D打印材料》）

4、超轻型玻璃气泡丝

布拉德利·伍兹（Bradley Woods）2020年开发了用3M玻璃气泡制造的超轻型玻璃气泡丝。

“ 3M玻璃气泡是由钠钙硼硅酸盐玻璃制成的高强度，低密度中空玻璃微球。这是一种独特的3D打印材料，这种材料是一种已经在航空航天、汽车、能源和建筑行业中使用的超轻型材料。”伍兹说：“我们正在研究的主要用于海上石油钻探。他们使用玻璃气泡丝作为在水下运行的管道的绝缘材料，因为它密度低。因此，完成后，您可以打印一些东西，烧掉塑料，然后用玻璃杯缠绕起来，几乎看不到手中的玻璃。它的重量令人难以置信，特别轻。”

（引自新浪微博《用于准备者的3D打?。盒槟庵斐У慕鹗?D打印长丝》作者：白令三维，2020年11月24日发布)

5、3D打印复合泡沫材料

3D打印复合泡沫材料的突破可能有助于推进和改进潜艇，使水下潜水艇能够在更深的深度上进行探索。

2018年，来自纽约大学Tandon工程学院的材料科学研究人员团队开发了一种新型的3D打印复合泡沫材料，这种复合材料可用于汽车、飞机、船舶和潜艇制造业。他们的这一突破使制造商们能够打印具备任何复杂形状同时能在更深处承受应力的组件，所以对于潜艇来说具有特别的应用前景。

复合泡沫是一种混合了数十亿微小中空玻璃微球的环氧树脂或塑料树脂复合材料，这一复合材料具备卓越的浮力和强度，广泛用于詹姆斯?卡梅隆(James Cameron)的深海挑战者(Deepsea Challenger)和下一代阿尔文(Alvin)深海探险者等潜艇。这种材料在制造业中很受欢迎，因为它的强度，重量和轻便性都令人难以置信。

纽约大学的科学家们认为，新型的3D打印复合泡沫材料的特性可以使更复杂的部件的生产具有更好的抗压性和物理性能，从而提高了部件的整体强度，从而改进目前使用的注塑成型泡沫塑料部件的方法。他们创造了一种由高密度聚乙烯塑料（HDPE）制成的可打印长丝和由中空玻璃微球组成的复合体。除了可印刷性外，复合泡沫材料也是完全可回收的。

开发这种材料的一个关键要素是找到空心微球适当的尺寸，使其能够容易地穿过打印机喷嘴而不会堵塞。最终，微球体的直径范围为40微米至70微米，可以通过标准的1.7毫米打印机喷嘴。

（引自中国3D打印网2018年2月8日报道《纽约大学开发新型3D打印泡沫有助于改进潜艇制造》）

6、具有形状记忆的超级3D打印硅材料

   2017年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员使用直接油墨写入（DIW）技术创建具有可塑形状记忆的3D打印硅胶超材料，在变形后能够恢复到先前的形状。LLNL研究人员定制机械响应并将功能引入到材料中，通过将3D打印结构孔隙度与向印刷油墨中加入中空的玻璃微球而获得的“内部空隙度”来实现。

研究人员说：“我们第一次证明，通过添加具有受控的壳玻璃化转变温度的中空微球，3D打印多孔弹性体可以实现形状记忆。这些材料可以用来制造高级的可穿戴?；?/span>设备和很多的应用，已经显示出广阔的市场前景。”

（引自搜狐网2017年7月17日报道《LLNL研究员DIW 3D打印出具有形状记忆的硅树脂结构》 

7、功能性聚乳酸3D打印材料

2017年6月，广东波斯科技股份有限公司成功开发了低密度导热导电聚乳酸3D打印材料，填补了该材料在国内技术空白，申请了国家发明专利。

聚乳酸是FDM（熔融沉积）打印的主要耗材品种之一，但一般聚乳酸耗材都是做不同颜色、或进行增韧，并没有导电导热等特殊功能。选用真密度0.1-0.5g /cm3、粒径为7-70微米、镀金属的中空玻璃微球与聚乳酸复合，制备的聚乳酸3D打印材料具有低密度、导热、导电性能，可以满足市场对高导热、导电、低比重FDM专用耗材的需求，在电子电气、工业模型、电路板等领域有较多的应用。

（引自国家知识产权局发明专利CN107286609A《一种低密度导热导电聚乳酸3D打印材料及其制备方法和应用》）

8、高圆度3D打印丝

2016年3月，宁波科盈仕环保材料有限公司公布了他们的一项新技术：一种完全生物降解的高圆度3D打印丝制备方法。

该技术引入中空玻璃微球保证了PLA拉丝的高圆度，提高打印产品耐温性，利用PDLA粉末加快了PLA的结晶速度，加入嵌段共聚物改善了其韧性，从而得到了强度高、圆度好、结晶快、耐温性好、韧性好的3D打印丝。其中，中空玻璃微球的高刚性、高圆度、高分散性的特点，在拉丝过程中对拉丝起到了关键的支撑作用，是该技术的核心创新点。这项技术的出现解决了PLA丝存在的圆度差等共性问题，使得PLA材料的应用空间进一步得到扩展，可用于各种类型的3D打印。

（引自国家知识产权局发明专利CN105420837A《一种完全生物降解的高圆度3D打印丝及其制备方法》）

9、3D打印用铝基复合材料粉末

2019年，江西宝航新材料公司开发成功可用于3D打印的、空心玻璃微球增强铝基复合材料。

这种材料具有较小的密度、较高的比刚度、比强度、低的热膨胀系数、优良的尺寸稳定性和耐摩擦性能，可以适应轻量化进程起到减重的作用。此外，空心增强相的添加使得材料最终成型后呈现一种多孔结构，从而提高材料的隔音降噪、抗冲击的能力，使材料可以应用于某些对材料的功能性有特殊要求的用途。比如航空航天、船舶、汽车等领域的结构件。

这种材料由空心玻璃微球和铝合金粉末构成，其中空心玻璃微球由两种不同粒径的微球组成，一种粒径较小，为30微米以内，另一种粒径较大，为10-60微米。

此项技术的意义还在于，证明了通过向目标金属中引入化学稳定的微纳米增强体空心玻璃微球可以制备新型的、力学性能优异、热裂倾向性低、成型性能优良的金属基纳米复合材料粉末，能提高现有可打印金属粉末的力学性能，同时又可消除目前不可打印合金种类在3D打印过程中产生的热裂，拓宽金属3D打印部件的应用范围。

（引自国家知识产权局发明专利CN111850355A《一种金属3D打印制备空心玻璃微球增强铝基复合材料的方法》）

10、新型混凝土3D打印材料

在建筑领域中，由于3D打印技术的出现，将混凝土打印成建筑成为了快速建造的一个方向，而其中最重要的是混凝土。苏州秉创科技公司于2016年7月开发成功一种可以用于3D打印的新型建筑材料，该材料主要组分为水泥、空心玻璃微球、短切玻璃纤维。用该材料打印出来的产品具有良好的保暖性能、隔音性能，耐久性好，抗震、抗冲击性能好，是一种综合性能优良的墙体材料。

（引自国家知识产权局发明专利CN106186981A《一种用于3D打印的建筑材料》）