3D打印材料

3D 打印（增材制造）作为一种先进制造技术，是以机械工程为核心，同时涵盖材料、机电控制、光电信息、数字建模等在内的典型的多学科交叉技术。在其发展早期，从事3D 打印研发的大多以机械工程领域的专家为主，其研发工作抓手是开发和优化3D 打印设备。而3D 打印所具有的“材料—打印—成型”的短流程加工特点，使得材料在3D 打印中占有非常重要的地位。3D 打印中面临的一些工艺难题往往从材料优化入手更容易得到解决。因此，随着3D 打印的深入发展，近年来，越来越多的材料领域的专家学者开始加入3D 打印的研发。3D 打印材料和打印设备的紧密结合，推动了3D 打印的蓬勃发展。

笔者长期从事材料科学的研究与教学工作。2013 年，在开展非晶合金粉末的研发中，开始逐步介入3D 打印领域。从初研制用于制造3D 打印专用细粒径球形金属粉末的气雾化制粉设备开始，又相继研制了适用于高活性金属的无坩埚感应熔炼气雾化制粉设备、超音速气雾化喷嘴、熔炼和保温坩埚等，并在此基础上开发了钛合金、钛铝合金、锆合金、高温合金、高强铝合金、铜合金、贵金属合金、非晶合金、高熵合金等一系列可用于3D 打印的新型金属粉末材料。在上述新材料的开发中，针对3D 打印的工艺特性，对合金成分进行了基于微合金化的改性优化，增强了可打印性，取得了良好成效，也进一步证实了从材料入手是解决一些难成型材料3D打印的有效途径。此外，还针对FDM 3D 打印机所使用的高分子线材，优化了基于单螺杆挤出设备的专用生产线，并结合材料改性，开发了多种高精度、高性能的改性高分子线材。在从事上述研发工作中，笔者积累了较为丰富的实践经验，既有成功，也有失败，对3D 打印的认识和理解也不断加深。本书总结了笔者对3D 打印的认识及这些年所积累的经验，希望能让读者对3D 打印有更全面、更深入的认识。

本书共分6 章：第1 章为绪论，讲述3D 打印技术的起源和工艺原理、主要技术类型和优势，并归纳总结3D 打印材料的特点；第2 章主要介绍3D 打印高分子材料的形态、种类和制造技术，并举例说明3D 打印高分子材料的典型应用；第3章主要介绍3D 打印金属材料的形态、种类、制造技术和评价方法，并举例说明3D 打印金属材料的典型应用；第4 章主要介绍3D 打印无机非金属材料的形态和种类、所使用的3D 打印技术方法，并举例说明3D 打印无机非金属材料的典型应用；第5 章主要介绍复合材料的定义和类型，复合材料的传统制造技术和3D 打印技术；第6 章分别从3D 打印技术、3D打印材料和3D 打印应用三个方面分析了3D 打印的发展趋势。

本书在撰写过程中， 笔者课题组的研究生王茂松、苏艳、杨龙川、吴迪和刘丙霖等在资料搜集和部分内容的写作上做了一些工作，在此表示感谢。同时，本书的相关研究也得到了国家自然科学基金（NO. 51571116）和江苏省重点研发计划（NO. BE2019066）的资助，在此表示衷心的感谢。

当前，3D 打印的发展日新月异，新的材料、新的打印技术与工艺、新的应用不断涌现。由于时间、篇幅以及笔者水平的限制，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者批评、指正。

Email: yldu_njust@njust.edu.cn

杜宇雷

材料作为3D打印的物质基础, 在3D打印技术链、产业链和价值链中均具有重要地位和作用。本书在叙述3D打印技术基本知识的基础上, 全面、详细地介绍了高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料等3D打印材料的种类、形态、结构、性能、制备方法和典型应用。同时, 结合作者的研究经验和理解, 对3D打印材料、技术和应用的发展趋势进行了分析和探讨。

本书内容丰富, 图文并茂, 理论与实践相结合, 实用性较强, 可作为3D打印相关行业技术人员、管理人员和政府产业经济决策人员等的专业参考书籍, 也可供相关专业师生阅读。

材料作为3D打印的物质基础, 在3D打印技术链、产业链和价值链中均具有重要地位和作用。本书在叙述3D打印技术基本知识的基础上, 全面、详细地介绍了高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料等3D打印材料的种类、形态、结构、性能、制备方法和典型应用。同时, 结合作者的研究经验和理解, 对3D打印材料、技术和应用的发展趋势进行了分析和探讨。

本书内容丰富, 图文并茂, 理论与实践相结合, 实用性较强, 可作为3D打印相关行业技术人员、管理人员和政府产业经济决策人员等的专业参考书籍, 也可供相关专业师生阅读。

第1 章　绪论　/ 1

　1.1　3D 打印技术的起源　/ 2

　1.2　3D 打印的主要工艺过程　/ 3

　1.3　3D 打印的主要技术类型　/ 5

　1.4　3D 打印技术的优势　/ 18

　1.5　3D 打印材料的特点　/ 22

第2 章　3D 打印高分子材料　/ 23

　2.1　3D 打印高分子材料的形态　/ 24

　　　2.1.1　液态高分子材料　/ 24

　　　2.1.2　高分子粉末材料　/ 25

　　　2.1.3　高分子丝材　/ 26

　2.2　3D 打印高分子材料的种类　/ 27

　　　2.2.1　工程塑料　/ 27

　　　2.2.2　生物可降解塑料　/ 31

　　　2.2.3　光敏树脂　/ 32

　　　2.2.4　橡胶类材料　/ 33

　2.3　3D 打印高分子材料的制备技术　/ 34

　　　2.3.1　3D 打印高分子粉末的制备方法　/ 34

　　　2.3.2　3D 打印高分子丝材的制备方法　/ 36

　　　2.3.3　3D 打印光敏树脂的制备方法　/ 37

　2.4　3D 打印高分子材料的应用　/ 38

　　　2.4.1　新冠病毒检测和防护用高分子材料产品　/ 38

　　　2.4.2　3D 打印高分子产品在医疗领域的应用　/ 39

　　　2.4.3　3D 打印蜡型辅助首饰制造　/ 40

第3 章　3D 打印金属材料　/ 42

　3.1　3D 打印金属材料的形态　/ 43

　　　3.1.1　金属粉末　/ 43

　　　3.1.2　金属丝材　/ 45

　　　3.1.3　金属箔材　/ 45

　3.2　3D 打印金属材料的种类　/ 46

　3.3　3D 打印金属材料的制备　/ 51

　　　3.3.1　球形金属粉末的制备　/ 51

　　　3.3.2　金属丝材的制备　/ 55

　　　3.3.3　金属箔材的制备　/ 55

　3.4　3D 打印金属材料的评价　/ 56

　　　3.4.1　金属粉末的粒径及粒径分布分析　/ 56

　　　3.4.2　金属粉末的形貌分析　/ 57

　　　3.4.3　金属粉末的相结构分析　/ 58

　　　3.4.4　金属丝材的性能评价　/ 59

　3.5　金属材料3D 打印应用案例　/ 59

　　　3.5.1　3D 打印航空发动机燃油喷嘴　/ 59

　　　3.5.2　3D 打印钛合金构件在C919 大飞机上的应用　/ 61

　　　3.5.3　3D 打印烤瓷牙义齿金属内冠　/ 63

第4 章　3D 打印无机非金属材料　/ 64

　4.1　无机非金属材料的传统加工制造技术　/ 65

　4.2　3D 打印无机非金属材料的形态和种类　/ 67

　　　4.2.1　3D 打印无机非金属材料的形态　/ 67

　　　4.2.2　3D 打印无机非金属材料的种类　/ 68

　4.3　无机非金属材料的3D 打印技术　/ 71

　　　4.3.1　混凝土（水泥） 材料的3D 打印技术　/ 71

　　　4.3.2　玻璃材料的3D 打印技术　/ 72

　　　4.3.3　陶土材料的3D 打印技术　/ 75

　　　4.3.4　结构陶瓷的3D 打印技术　/ 76

　　　4.3.5　功能陶瓷的3D 打印技术　/ 81

　4.4　无机非金属材料3D 打印技术的应用　/ 83

　　　4.4.1　3D 打印辅助制造多孔介质燃烧器　/ 84

　　　4.4.2　3D 打印卫星陶瓷支架　/ 85

　　　4.4.3　3D 打印医用生物陶瓷制品　/ 85

第5 章　3D 打印复合材料　/ 87

　5.1　复合材料的定义和主要类型　/ 88

　5.2　复合材料的传统成型制造技术　/ 90

　　　5.2.1　高分子基复合材料的传统成型制造技术　/ 90

　　　5.2.2　金属基复合材料的传统成型制造技术　/ 92

　　　5.2.3　陶瓷基复合材料的传统成型制造技术　/ 93

　5.3　复合材料的3D 打印技术　/ 94

　　　5.3.1　高分子基复合材料3D 打印技术　/ 95

　　　5.3.2　金属基复合材料3D 打印技术　/ 100

　　　5.3.3　陶瓷基复合材料3D 打印技术　/ 106

　5.4　3D 打印复合材料的应用　/ 110

第6 章　3D 打印的发展趋势　/ 114

　6.1　3D 打印技术与装备的发展趋势　/ 115

　　　6.1.1　选区激光熔化（SLM） 3D 打印技术与装备的发展趋势　/ 115

　　　6.1.2　光固化（SLA） 3D 打印技术与装备的发展趋势　/ 117

　　　6.1.3　金属增材制造与传统制造技术的复合　/ 121

　　　6.1.4　纤维增强树脂基复合材料3D 打印技术与装备的发展　/ 123

　　　6.1.5　新型金属增材制造3D 打印技术与装备的发展　/ 125

　6.2　3D 打印材料的发展趋势　/ 128

　　　6.2.1　光固化光敏树脂的发展　/ 128

　　　6.2.2　FDM 3D 打印用新材料的发展　/ 129

　　　6.2.3　3D 打印专用金属粉末的开发　/ 130

　6.3　提高3D 打印件品质的研发趋势　/ 137

　6.4　3D 打印技术应用的发展趋势　/ 142

　　　6.4.1　3D 打印在医疗领域应用的发展趋势　/ 143

　　　6.4.2　3D 打印与传统行业的有机结合　/ 146

参考文献　/ 150

材料作为3D打印的物质基础, 在3D打印技术链、产业链和价值链中均具有重要地位和作用。本书在叙述3D打印技术基本知识的基础上, 全面、详细地介绍了高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料等3D打印材料的种类、形态、结构、性能、制备方法和典型应用。同时, 结合作者的研究经验和理解, 对3D打印材料、技术和应用的发展趋势进行了分析和探讨。

本书内容丰富, 图文并茂, 理论与实践相结合, 实用性较强, 可作为3D打印相关行业技术人员、管理人员和政府产业经济决策人员等的专业参考书籍, 也可供相关专业师生阅读。

《3D打印材料》将常用3D打印材料分为高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料，对每一类材料的种类、形态、制造技术和典型应用案例等进行了较为全面的介绍。同时，结合作者的研究经验和理解，对3D打印材料、技术和应用的发展趋势进行了分析。《3D打印材料》内容丰富、图文并茂、通俗易懂，可作为3D打印相关专业的配套教材使用，并可作为3D打印相关行业技术人员、管理人员和政府产业经济决策人员等的专业参考书籍。