先进 3D 打印材料：性能、应用和创新综合指南

在种类繁多的三维打印技术中，三维打印材料的选择决定了任何项目预期目标的实现。决定三维打印可能性的一个关键因素是材料的多样性。每种材料的应用特性各不相同。其中，PLA、ABS、PETG 和尼龙因其实用性和对各种应用的适应性而更受欢迎。

钛、不锈钢和铝等其他金属主要用于工业用途。在这些应用中，强度和耐久性至关重要。陶瓷因其耐高温和耐磨性能而被广泛使用。碳纤维等纤维具有强度高、重量轻的特点，而树脂，尤其是光聚合物，则用于牙科和珠宝等行业的精密加工。

根据所选材料的不同，它们各司其职，并为增材制造领域增添了一些特色。本文将深入探讨 3D 打印所用材料的发展、性能比较、适用范围和成本比较。在本指南结束时，您将对材料有一个清晰的了解。您将知道哪种材料最适合您的 3D 打印要求。

3D 打印材料的类型

聚合物

大多数 3D 打印材料都是聚合物，因为它们用途广泛，可用于许多领域。聚乳酸（PLA）以环保和易于操作而著称。因此，它适合新手用户和制作原型。ABS 具有更高的强度和稳定性，是严格应用的理想选择。PETG 同时具有 PLA 和 ABS 的特性，可为使用过的部件提供强度和耐化学性。同时，尼龙是最坚固、柔韧和耐磨的材料，适用于高压力的工程应用。一些聚合物具有高强度，通常用于航空航天领域，而另一些则因其柔韧性而用于电路板。

聚合物材料对 3D 打印技术的发展至关重要，该技术始于 20 世纪 80 年代立体光刻技术的商业化。聚酰胺和聚乳酸等关键聚合物的历史可追溯到 20 世纪初，而重要的 AM 前驱材料则开发于 20 世纪 20 年代和 40 年代。FFF 和 SLS 最早开发于 20 世纪 80 年代和 90 年代初，得益于计算机技术的发展。

随着 2000 年初专利到期，3D 打印技术的应用扩展到其他行业，如医疗和航空航天。2010 年后，智能聚合物等改良材料将 AM 技术从原型设计扩展到直接制作模具和生产最终产品。此外，更便宜、更易获得的软件和开源工具也推动了大众的三维打印技术。

聚合物和复合材料的 3D 打印工艺

层压物体制造是一种常见的三维打印工艺。不过，不建议使用它来制造聚合物物体，也不建议使用选择性激光烧结和直接金属激光烧结，因为它们已经成熟地使用 FFF、SLA、MJ、BJ 和 PBF 工艺来制造聚合物和聚合物复合材料物体。

根据聚合物的形状、状态或其他物理性质等条件，所有方法都具有不同的适用性和某些特征。不过，每次选择特定的三维打印技术时都需要考虑一些限制因素，包括与某些材料的兼容性、可用成本、分辨率要求以及所用几何形状的复杂性。

金属

钛、不锈钢和铝等基本金属因其强度、柔韧性和轻质特性，在全球工业用 3D 打印中发挥着重要作用。钛是航空航天和医疗领域的理想材料。不锈钢用途广泛，坚固耐用。铝是一种轻质且易于导热的材料。

钛：强度和生物相容性

钛已成为三维打印技术中备受青睐的金属，尤其是在要求强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性的应用领域。其轻质而坚固的结构使其成为航空航天部件的理想材料。这对于下一代飞机尤为重要，因为在这些飞机中，最大限度地减少质量而不降低强度至关重要。

钛的生物相容性使其适用于医疗行业。它在制造与人体结合的植入物和假肢方面尤为重要。

钛的高熔点和反应性使得 3D 打印具有挑战性。需要采用 EBM 和 SLM 等特定方法来控制打印环境并防止氧化。

不锈钢：多功能性和耐用性

另一种常见的 3D 打印材料是不锈钢。众所周知，不锈钢具有弹性和耐腐蚀性。它将强度、弹性和耐腐蚀性完美地结合在一起。这使得它几乎适用于所有行业，从汽车零件到家居用品。

对于三维打印中的不锈钢，由于 DMLS 和粘结剂喷射这两种制造工艺的灵活性及其在三维打印形状中的高精确度，可用于各种形式和框架。

它还有助于制造出可承受高磨损、在极端环境条件下工作的功能部件。

下图是不锈钢 DMLS 工艺的示意图，说明了每一层是如何熔合以制造出坚硬结实的部件的。

铝：重量轻、导电性强

铝具有密度低、导热性和导电性好的特点，因此在三维打印中备受青睐。这些特性使其在汽车制造和电气应用中尤为重要，因为在这些应用中，减轻重量和散热至关重要。

可用于 3D 打印的铝合金 AlSi10Mg 是通过 SLS 或 DMLS 打印出来的。通过这些技术，可以制造出小型、轻质、形状复杂的零件，而这些零件在传统工艺中是无法制造的，或者制造成本很高。

这一特性也解释了为什么铝可用于需要 散热器如热交换器和电气设备外壳。

该图说明了铝的 SLS 工艺。它表明，由于该工艺本身具有高精度和高控制性，最终产品的机械性能可以达到要求。

陶瓷

陶瓷因其卓越的耐高温和耐磨特性而被广泛应用于 3D 打印。这些材料具有很高的耐热性和耐腐蚀性，因此适用于航空航天、汽车和能源行业。

例如，涡轮叶片、隔热罩或其他高性能发动机产品等特殊应用，因其耐用性和热稳定性，需要集成陶瓷元件。

利用三维打印技术制造陶瓷的一些技术包括 SLS 或粘结剂喷射，因为这些技术可以制造出传统方法难以制造的形状。

此外，由于陶瓷具有高硬度和低摩擦系数，因此在磨损性能至关重要的应用领域，陶瓷的使用正变得越来越重要。在制造业和采矿业等行业中，陶瓷内衬和喷嘴可以提高设备的耐用性，最大限度地降低维修成本，因此在这些行业中的应用至关重要。

利用先进的陶瓷三维打印技术，制造出具有精细几何形状和严格尺寸控制的复杂零件，从而在恶劣的工作条件下实现高性能。

复合材料

CFRP 等高性能材料正变得非常流行，并影响着 3D 打印的方式，因为它们能提高 强度和刚度 重量轻。碳纤维复合材料的最大价值在于其抗拉强度和刚度，因此在需要高强度和轻质材料的应用领域，如航空航天、汽车和体育用品行业，碳纤维复合材料的需求量很大。

与传统材料相比，在聚合物基体中应用碳纤维可以提高部件的强度，同时减轻重量。

此外，将复合材料集成到三维打印技术中，还可以使用非常规的几何形状设计结构，这是其他技术无法实现的。然后，这些复合材料通过熔融沉积建模（FDM）与碳纤维扁平线/带或任何其他复合方法进行加工，进一步控制和引导这些排列纤维的方向性。

材料性能比较

三维打印材料的工程应用

聚合物：用于原型设计和消费品的多功能材料

聚合物在三维打印中至关重要，尤其是在原型制作、消费品和教育领域。聚乳酸（PLA）是最常用的材料之一，因为它价格低廉、打印速度快、环保，而且表面光亮平滑，特别适合制作几何模型和非使用部件。

另一方面，尼龙材料可用于制造需要柔韧性和坚固性的部件，如机械装置、铰链、齿轮和其他强制部件。由于其强度和抗冲击性，尼龙材料可用于更高层次的应用，并在多个行业中作为从模型到生产的过渡材料。

金属：用于工业应用的高强度材料

由于金属具有出色的特性，因此在航空航天、汽车和医疗设备等各行各业中都是必不可少的。不锈钢重量轻、强度高，因此用途广泛，适用于飞机部件或手术设备。不锈钢除了防锈之外，还具有耐磨损和抗撕裂的能力，这使其成为汽车部件甚至医疗器械的最佳选择，因为在这些领域中，可靠性至关重要，而且部件可能会长期暴露在恶劣的条件下。

这些金属有助于制造对现代工程和生产工艺至关重要的复杂和高可靠性零件。

陶瓷：高温耐磨材料

它可用于要求高强度和热稳定性的应用领域，如航空业的涡轮叶片或许多领域的耐热部件。它们还能在高温下提供非常高且稳定的性能，适用于生物医学应用，为人体组织提供耐用且合适的植入物。

这些特性有助于陶瓷在工业和医疗应用中可靠地承受各种条件。

复合材料：轻质高强度材料

复合材料的使用适用于对材料的强度和重量有要求的情况，例如无人驾驶飞机的部件或被视为运动材料的物品。这些材料（如碳纤维增强聚合物）拉伸强度高，重量轻，因此适合用于需要高强度和易于操控的部件。

在这些领域中，采用复合材料可以提高性能和效率，同时又不会产生降低强度的风险。

3D 打印材料的未来趋势

随着 3D 打印技术的不断发展，用于增材制造的材料有望取得重大进展。生物相容性和生态友好性是两个重要趋势，因为电极材料可以同时具有生物相容性和环保性。随着人们对环境敏感度的关注，性能好又环保的材料正成为发展趋势。这些材料将在医疗领域大有用武之地，生物相容性聚合物和金属将被用于植入物和假肢，在不影响医疗标准的前提下减少对环境的影响。

此外，混合材料和复合材料的进步相信会进一步发挥增材制造的潜力。下一代复合材料将具有更好的机械特性，如高强度/重量、高柔性和耐热性，从而将这些技术的应用扩展到航空航天、汽车和一般消费品领域。聚合物、金属和陶瓷的集成将允许对制造材料的特性进行微调，并为各行各业的 3D 打印技术带来新的发展机遇。

结论

重申一下，任何增材制造项目最关键的因素之一就是 3D 打印所使用的材料。每种材料的特性都能增强、阻碍甚至改变最终产品的性能、寿命和质量。例如，钛和铝具有高强度重量比，是航空航天和汽车的理想材料，而聚乳酸和尼龙则分别适用于原型设计和消费品。

为此，可以对现有材料的机械性能、耐热性和成本进行比较，并根据制造商所考虑的项目需求做出决定。这一过程不仅能提高最终产品的功能性和可靠性，还能避免生产过程或生产线中的成本问题。