3D 打印详解（一）：从原材料到现代创新
第一部分：原材料
增材制造——更广为人知的 3D 打印——虽已存在近 40 年，但对许多人而言，该技术似乎仍处于萌芽期。过去 10 年 3D 打印技术的演进超过了前三十年总和，使其在原型制造和小批量生产中的可行性前所未有。这些进步让增材制造稳居公众视野焦点，制造商纷纷探索最新创新及其如何加速生产流程。
据 MarketsandMarkets 研究，3D 打印材料市场规模预计从 2016 年的 5.301 亿美元增长至 2021 年的 14 亿美元以上。这一增长主要得益于可用打印材料选项的大幅扩展。早期 3D 打印机仅限于有限的塑料选择，而新型设备可使用更广泛的材料范围。
3D 打印材料市场面临的挑战
打印材料决定打印工艺效率与成品质量。尽管增材制造快速发展，但要成为传统制造和机加工的可行替代方案，仍需攻克诸多挑战，许多挑战直接关联原材料，包括：
- 原材料成本
3D 打印无法享受其他制造技术带来的规模经济。增材制造速度仍相对较慢，主要用于原型或极小批量生产，因此不存在大批量材料折扣。
- 材料范围有限
尽管过去十年 3D 打印可用材料类型大幅扩展，但选择范围仍相对有限。目前材料选择仍受限于 3D 打印技术约束及设计限制。
- 原材料获取难度
增材制造原材料采购仍有难度，特别是设计要求稀有物质（如金属、陶瓷）时。
随着上述市场增长，这些问题有望在近期得到解决。随着 3D 打印成为制造商更常用的方法，材料价格将指数级下降，选项将扩展，所有材料类型将更易获取。
3D 打印材料市场利益相关方
增材制造的成功增长很大程度上取决于原材料供应链各贡献者的协作。主要利益相关方包括：
- 材料供应商
- 打印机制造商
- 打印服务机构
- 终端用户
随着各参与者推出新创新，技术将持续进步。供应链各环节的协作将使利益相关方能引导技术方向及增长。
3D 打印材料类型
3D 打印材料通常以丝材、粉末、液体形式供应。主要分为四大类：
- 塑料
- 光聚合物——环氧树脂与混合物、丙烯酸酯、聚酰胺、丁腈橡胶
- 塑料粉末——PA、TPU、PEEK、PP、PS
- 塑料丝材——ABS、PLA、PC 及共混物、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯
- 陶瓷
- 陶瓷粉末
- 金属
- 铝及合金
- 不锈钢
- Inconel、钴铬、镍合金
- 钛及合金
- 其他
- 其他
- 粘结剂砂
- 光敏树脂
光聚合物
光聚合物树脂占全球增材制造材料市场主导份额，预计未来将继续扩大份额。光聚合物是用于 PolyJet 和立体光刻 3D 打印机的液态树脂，在紫外线辅助下通过聚合过程硬化固化，形成塑料零件和原型。光聚合物通常包含粘结剂、单体、光引发剂三大核心成分。光引发剂是光聚合物主成分，将光能转化为化学能。光聚合物打印件应用于医疗、军工、电子领域。
塑料粉末
塑料粉末是另一类占据显著市场份额的 3D 打印材料。聚酰胺、聚醚醚酮 (PEEK)、热塑性聚氨酯 (TPU) 等塑料粉末因可减重、提升燃油效率、降低排放，被选用于车辆制造。
用塑料粉末打印零件的主要工艺包括沉积建模和激光烧结，通常周转快、相对高性价比，推动了塑料粉末需求，特别是原型应用。
聚酰胺因价格合理、易加工、表面质量优，有望继续保持原型应用最常用材料地位。聚酰胺是专业 3D 打印公司最常用的打印材料之一。
TPU 适合制造要求高弹性、耐热耐磨、高剪切强度的零件。PEEK 是半结晶热塑性塑料，具备优异机械化学耐受性并能在高温下保持；但因价格高昂，仅限最苛刻应用使用。
塑料丝材
塑料丝材是熔融沉积建模 3D 打印机的热塑性原料。塑料丝材赋予零件卓越强度且易成型。在众多材料选项中，ABS 和 PLA 迄今为止是最常用的丝材材料。耐水性和韧性是 ABS 的优势特性，使其成为打印功能件的理想材料。PLA 易打印且可生物降解，是打印消费级零件的热门选择。在最昂贵材料中，蜡或 Moldlay 可用于打印熔模铸造蜡模，壳体烘烤过程中可熔融流失。
金属材料
金属通常用于打印工装和原型零件。钢因强度耐用性好，广泛应用于汽车、工业、食品加工、医疗领域，且是替代方案中最经济的。316L、17-4PH 不锈钢及马氏体时效钢是该类别常用材料。
3D 打印用其他金属包括铝、钛、Inconel 等高价值非钢高强合金。该细分领域最常用材料包括：
- 铝合金
- 钴铬合金
- 镍基合金
- 钛合金
增材制造的演进
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