1、知识模块2 3D打印非金属材料目 录 2.1 高分子材料 2.2 光敏树脂材料 2.3 无机非金属材料2.1 高分子材料 2.1.1 高分子材料的性能 2.1.2 高分子材料的种类 2.1.3 常用高分子材料2.1.1 高分子材料的性能 高分子材料定义高分子材料定义：指以高分子化合物为主要组成成分的材料，也是一类由数量巨大的一种或多种结构单元通过共价键结合而成的化合物，且相对分子量大于500。类型低分子化合物高分子化合物名称水石英乙烯单糖橡胶淀粉纤维素聚苯乙烯聚氯乙烯分子量186028282万-5万2万57万5万5万-16万高分子化合物具有一定的强度、弹性和塑性。 1.高分子材料的优势粉末化、
2、液态化、丝状化的新型高分子材料；高分子材料具有熔融温度低的优点；高分子材料具有轻质高强的优点；高分子材料价格便宜。 2.高分子材料的特性良好的触变性；合适的硬化速度；较小的热变形和热收缩率；2.1.1 高分子材料的性能2.1.2 高分子材料的种类 1.高分子材料按来源分天然高分子材料和合成高分子材料 2.高分子材料按特性分橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料 3.高分子材料按应用功能分类高分子材料、特种高分子材料和功能高分子材料 4.按高分子主链结构分碳链高分子、杂链高聚物、元素有机高聚物 5.其它分类（1）按高分子主链几何形状分类：线型高聚物，支链型高聚物，体型高聚物
3、。（2）按高分子微观排列情况分类：结晶高聚物，半晶高聚物，非晶高聚物。2.1.2 高分子材料的种类 6.高分子复合材料的种类：高分子结构复合材料（高分子结构复合材料（SLS技术多采用）、）、高分子功能复合材料高分子结构复合材料=增强剂+基体材料增强剂：为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物。基体材料：主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，2.1.3 常用高分子材料分类原则类别实例按高分子材料用途分塑料ABS、尼龙等橡胶丁苯橡胶、氯丁橡胶等纤维玻璃纤维、石棉纤维等胶粘剂骨胶
4、、环氧通用胶等涂料环氧树脂等按高分子材料的来源分天然高分子材料淀粉、天然橡胶、纤维素等人造高分子材料合成纤维、合成橡胶等按聚合反应的类型分加聚高分子材料聚乙烯、聚氯乙烯等缩聚高分子材料酚醛树脂、环氧树脂等按高分子材料的结构分线型高分子材料聚甲醛、聚苯乙烯等体型高分子材料酚醛树脂、环氧树脂等按高分子材料的热性能及成形工艺分热固性高分子材料酚醛树脂、环氧树脂等热塑性高分子材料聚酰胺、有机玻璃等2.1.3 常用高分子材料 1.耐用性尼龙材料定义：“尼龙”（Nylon）又叫聚酰胺纤维，英文名Polyamide（简称PA），密度1.15g/cm3性能：优良的力学性能，如拉伸强度、压缩强度、冲击强度、刚性
5、及耐磨性都比较好；良好的电绝缘性；熔融温度比较高，且熔融温度范围比较窄，有明显的熔点；良好的化学稳定性，不溶于普通的溶剂；应用：适用于中小体积结构复杂的、薄壁的制件快速制造。2.1.3 常用高分子材料 2.尼龙玻纤（1）玻璃纤维简介：玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，主要包含二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钙和氧化钠等无机盐。主要特点：拉伸强度高，伸长率小(一般小于3%)。弹性系数大刚性比较佳。是无机纤维，不易燃烧且耐化学性好。吸水性小，可透过光线。耐热性、尺度稳定性都比较好。售价格便宜，高温下可熔成玻璃状小珠。2.1.3 常用高分子材料（2）玻璃纤维的分类根据玻璃中不同碱含量，可分为无碱
6、玻璃纤维、中碱玻璃纤维和高碱玻璃纤维；按照形态和长度，可分为连续纤维、短切纤维和玻璃棉。玻璃纤维按组成、性质和用途，分为不同的级别。E级玻璃纤维使用最普遍，广泛用于电绝缘材料；（3）尼龙玻纤简介 尼龙玻纤是一种白色粉末，与普通塑料相比，其拉伸强度、弯曲强度有所增强，热变形温度以及材料的惯量有所提高，材料的热变形性和收缩率减小，但表面变粗糙，冲击强度略有降低2.1.3 常用高分子材料（4）尼龙玻纤的性能 在3D打印领域，玻纤的加人提高了尼龙的机械性能、耐磨性能、触变性能、尺寸稳定性能和抗热变形性能，有效地改善了尼龙的可加工性，使其更吻合FDM的制作方式。但同时，玻纤的加入也增加了制品的表面粗糙度
7、，对于制品的外观产生不利影响。（5）尼龙玻纤在3D打印中的应用2.1.3 常用高分子材料 3.橡胶类材料（1）简介 橡胶类材料颜色多为无色或浅黄色，加炭黑后显黑色。不周的橡胶产品具备不同级别的弹性材料特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。（2）橡胶的性能抗拉强度扯断伸长率定伸强度硬度撕裂强度2.1.3 常用高分子材料（3）橡胶类材料在3D打印中的应用 3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备、卫生用品以及汽车内饰、轮胎、垫片、电线、电缆包皮和高压、超高压绝缘材料等。 4.ABS材料（塑料） 由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共
8、聚成的工程塑料ABS，是一种非结晶性，具有强度高、韧性好、尺寸稳定性高、易于加工成型等特性的热塑性高分子材料结构，又称ABS树脂。2.1.3 常用高分子材料 5.聚乳酸材料 聚乳酸（PLA）又名玉米淀粉树脂，是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提取出的淀粉原料制备而成，具有良好的生物可降解性。PLA与ABS对比优点有：加热熔融聚乳酸时，不会发出难闻的气味；用聚乳酸打印成形时，成形件的翘曲变形较小，不必对成形室或基板采取加热保温措施；聚乳酸成形件废弃后可通过自然分解、堆放、焚化等方式快速降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，因此聚乳酸是一种具备良好使用性能的绿色塑料。2.
9、1.3 常用高分子材料 PLA性能：聚乳酸（PLA）是一种新型的生物降解材料；聚乳酸拥有良好的光泽性和透明度；聚乳酸具有良好的抗拉强度及延展度；聚乳酸薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性能；2.1.3 常用高分子材料 6.聚碳酸酯聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是无色高透明度的热塑性工程塑料，具有耐冲击、韧性高、耐热性高、耐化学腐蚀、耐候性好且透光性好的热塑性聚合物。2.1.3 常用高分子材料 7.聚亚苯基砜材料 较好的力学性能和介电性能，良好的耐热性能、耐蠕变性及阻燃性能和较好的化学稳定性、透明性，高度透明性、高水解稳定性，是一种无定形的热性塑料。2.1.3 常用高分子材料
10、 8.聚醚酰亚胺材料 具有最佳的耐高温性及尺寸稳定性，以及抗化学性、电气性、高强度、阻燃性、高刚性结构热塑性塑料。2.1.3 常用高分子材料 SLA（Stereo Lithography Apparatus）即立体光刻成型，也称为光固化成型，是在特定强度的激光的照射下，对光固化材料进行有选择的逐层的固化，以制造所需的三维实体原型。 光明树脂必须具备良好的喷射性、流变性能、低挥发性、不易发生沉降及堵塞，固化后，要求光敏树脂精度高、力学性能好，一般通过树脂改性来提高3D打印产品的性能，这对3D打印技术的发展至关重要2.2 光敏树脂材料2.2.1 光固化机理及材料对成型质量的影 1.光固化机理 光固
11、化指在光辐射下使自由流动的液体转变为固体的反应。光固化一般所需能量较低，在常温下就可发生。 在光化学反应作用下，从液态转变成固态的树脂称为光固化性树脂。由引发剂、预聚物、单体（活性稀释剂）等组成。2.2.1 光固化机理及材料对成型质量的影组分组分功能功能常用常用含量含量/wt%/wt%类型类型光引发剂吸收紫外光，引发聚合10自由基型，阳离子型预聚物材料的主体，决定固化后零件的主要性能，及其它40环氧丙烯酸酯，聚氨酯丙烯酸酯，环氧化合物，乙烯基醚类化合物等单体（活性稀释剂）调整黏度并参与固化反应，影响固化物性能2050单官能度，双官能度和多官能度其它（颜料、稳定剂、腊等）视用途不同而异030 2
12、.材料对成型质量的影响（1）光敏树脂体系各组成对固化速度的影响；（2）光敏树脂粘度对成型质量的影响；（3）光敏树脂涂层厚度对成型质量的影响；（4）光敏树脂收缩率对成型质量的影响；（5）光敏树脂力学性能对成型质量的影响；2.2.1 光固化机理及材料对成型质量的影 1.固化前性能稳定； 2.粘度低； 3.光敏性好； 4.固化收缩小； 5.溶胀小； 6.半成品的强度高； 7.毒性小；2.2.2 SLA工艺对材料的要求 1.预聚物2.2.3 光敏树脂材料的组成低聚物固化速度拉伸强度柔性硬度耐化学药品性耐黄变性环氧丙烯酸酯 (EA)高高不好高极好中聚氨酯丙烯酸酯 (PUA)可调可调好可调好可调聚酯丙烯酸
13、酯 (PEA)可调中可调中好不好聚醚丙烯酸酯可调低好低不好好纯丙烯酸酯树脂慢低好低好极好乙烯基树脂 (UPE)慢高好高不好不好2.2.3 光敏树脂材料的组成 2.稀释剂（活性单体） 活性稀释剂主要指含有环氧基团的低分子量环氧化合物，它们可以参加环氧树脂的固化反应。 3.引发剂（1）自由基光引发剂 自由基光引发剂体系优点有固化速度快、成本低、体系粘度小等，其缺点也是很明显的，例如受表面氧的干扰，制件精度有所降低。（2）阳离子光引发剂 阳离子光引发体系的基本作用特点是光活化到激发态，引发剂分子发生系列分解反应，产生超强质子酸或路易斯酸，引发阳离子光聚合。2.2.4常用光敏树脂 1.环氧树脂（1）环
14、氧树脂性能分析环氧树脂的极性较大，与无机、金属粉末的界面相容性好于大多数树脂。其低聚物的黏度较小，流动能力强；环氧树脂作为光敏涂料种类繁多，适用面广；环氧树脂的黏结强度高，价格适中，成膜性好，容易改性；产品化学性能稳定，无毒。 2.丙烯酸酯 丙烯酸酯就是由丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类为主体的，辅之以功能性丙烯酸酯类及其他乙烯单体类，通过共聚合所合成的树脂。 立体光刻技术（SL）在与丙烯酸酯单体联用时，丙烯酸单体可与光引发剂混合，而光引发剂在紫外光区或可见光区吸收一定波长的能量，从而引发单体聚合交联固化的化合物。2.2.4常用光敏树脂 2.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能 SLA技术用材料根据其工
15、艺原理和原型制件的使用要求，要求其具有粘度低、流平快、固化速度快且收缩小、溶胀小、无毒副作用等性能特点。 1.Vantico公司的SL系列3D Systems公司光固化快速成型系统的成型材料选择方案2.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能指标 SLA系统成型效率成型精度类聚丙烯类ABS耐高温颜色SLA 190SLA 250SL 5220SL 5170SL 5240SL 5260SL 5210SLH-C 9100SLA 500SL 7560SL 5410SL 5180SL 5440SL 7560SL5430 Viper si2SL 5510SL 5510SL 7540SL 7545SL 7560SL
16、 7565SL 5530SL Y-C 9300SLA 350SLA 3500SL 5510SL 7510SL 5510SL 5190SL 7540SL 7545SL 7560SL 7565SL 5330SL Y-C 9300SLA 5000SL 5510SL 7510SL 5510SL 5195SL 7540SL 7545SL 7560SL 7565SL 5530SL Y-C 9300SLA 7000SL 7510SL 7520SL 7510SL 7520SL 7540SL 7545SL 7560SL 7565SL 5530SL Y-C 93002.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能 SLA50
17、00系统使用的几种树脂材料的性能指标型号型号指标指标SL5195SL5510SL5530SL7510SL7540SL7560SL YC9300外特性外特性透明光亮透明光亮透明光亮透明光亮透明光亮白色透明密度密度/ /（g/cmg/cm）1.161.131.191.171.141.181.12粘度粘度/cps/cps（3030）1801802103252792001090固化深度固化深度/mils/mils5.24.15.45.56.05.29.4临界照射强临界照射强/ /（mJ/cmmJ/cm）13.111.48.910.98.75.48.4肖氏硬度肖氏硬度83868887798675抗拉强度
18、抗拉强度/Mpa/Mpa46.57756-614438-3942-4645拉伸模量拉伸模量/Mpa/Mpa209032962889-314422061538-16622400-26001315弯曲强度弯曲强度/Mpa/Mpa49.39963-878248-5283-104 弯曲模量弯曲模量/Mpa/Mpa162830542620-324024551372-14412400-2600 延伸率延伸率11%5.4%3.8-4.4%13.7%21.2-22.4%6-15%7%冲击韧性冲击韧性/ /（J/mJ/m）5427213238.4-45.928-44 玻璃化温度玻璃化温度，T Tg g/67-8
19、2687963576052热胀率热胀率/ /（1010-6-6/）108(T Tg)84(T Tg)76(T Tg) 181(T Tg) 热传导率热传导率/ /（W/mW/m）0.1820.1810.1730.1750.159 固化后密度固化后密度/ /（g/cmg/cm3 3）1.181.231.25 1.181.221.182.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能 2.3D Systems 公司的Accura系列 型号指标ACCURA 10ACCURA40 NdACCURA50ACCURA 60ACCURABLUESTONEACCURAClearVue外观透明光亮透明光亮非透明自然色或灰色透明
20、光亮非透明蓝色透明光亮固化前后密度/(g/cm3)1.16/1.211.16/1.191.14/1.211.13/1.211.70/1.781.1/1.17粘度/cps(30)485485600150-1801200-1800235-260固化深度/mils6.3-6.96.6-6.84.56.34.14.1临界照射强度/(mJ/cm2)13.8-17.720.1-21.79.07.66.96.1抗拉强度/MPa62-7657-6148-5058-6866-6846-53延伸率3.1-5.6%4.8-5.1%5.3-15%5-13%1.4-2.4%1.4-2.4%拉伸模量/MPa3048-35
21、322628-33212480-26902690-31007600-117002270-2640弯曲强度/MPa89-11592.8-9772-7787-101124-15472-84弯曲模量/MPa2827-31862618-30442210-23402700-30008300-98001980-2310冲击韧性/(J/m2)14.9-27.722.3-29.916.5-28.115-2513-1740-58玻璃化温度/6262-65.6625871-8362热胀率/(10-6/)(TTg)64/17087/18773/16471/15333-44/81-98122/155肖氏硬度86848
22、68692802.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能 3.3D Systems 公司的RenShape系列型号RenShapeSLA7800RenShapeSLA7810RenShapeSLA7820SenShapeSLA7840RenShapeSLA7870指标外观透明琥珀色白色黑色白色透明固化前后密度/（g/cm）1.12/1.151.13/1.161.13/1.161.13/1.161.13/1.16粘度/cps(30)205210210270180固化深度/mils5.75.64.55.07.2临界照射强度/（mJ/cm）9.519.989.910.01510.6抗拉强度/MPa4147
23、3651365136453842延伸率1018%1020%3651%1117%1012%拉伸模量/MPa2075240017932400190024001700220019302020弯曲强度/MPa69745969598065806571弯曲模量/MPa2280265018972400200024001600220019802310冲击韧性/（J/m）375844.448.7424837604561玻璃化温度/5762625856热膨胀率/ 10-6/(TTg)1009693100N/A肖氏硬度8786868686 4.DSM公司的SOMOS系列2.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能型号指标型
24、号指标20L20L911091109120912011120111201212012120外特性灰色不透明透明琥珀色灰色不透明透明透明光亮密度/(g/cm3)1.61.131.131.121.15粘度/cps(30)2500450450260550固化深度/0.120.130.140.160.15临界曝光量/(mJ/cm2）6.88.010.911.511.8肖氏硬度92.88380-82N/A85.3抗拉强度/MPa783130-3247.1-53.670.2拉伸模量/MPa1090015901227-14622650-28803520弯曲强度/MPa1384441-4663.1-74.21
25、09弯曲模量/MPa904014501310-14552040-23703320延伸率1.215-2115-2511-204冲击韧性/(J/)14.55548-5320-3011.5玻璃化温度，Tg/1025052-6145.9-54.556.5适用性可制作高强度，耐高温的零部件制作坚韧，精确的功能零件硬度和稳定性有较高要求的组件制作耐用，坚硬，防水的功能零件能制作高强度，耐高温，防水的功能零件。外观呈樱桃红色 5.文博实业有限公司销售的光敏树脂系列2.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能项目项目树脂牌号树脂牌号WBSLA2820WBSLA2820WBSLA2822WBSLA2822密度/（g/c
26、m）1.131.1230粘度/（mPas）270260弹性模量/Mpa2650288025503000抗性强度/Mpa4150.64554断后伸长率/%15251123缺口冲击强度（J/m）0.270.450.270.45弯曲模量/Mpa1640227017402470抗弯强度/Mpa68.180.166280.16热变形温度/0.45Mpa下608560851.8Mpa下55755575玻璃化转变温度/52585258颜色无色，透明白色 6.Object Geometries公司项 目材料牌号MED610MED670MED690弹性模量/Mpa2000300022003200抗拉强度/Mpa
27、506550605465断后伸长率/%10251525弯曲模量/Mpa2200320024003300抗弯强度/Mpa7511080110缺口冲击强度/（J/m）2030聚合密度/(g/cm3)1.171.18热变形温度/0.45Mpa下4550玻璃化转变温度/5254硬度/HSD8386吸水率/%1.11.51.21.52.2.5常用光敏树脂材料牌号及性能2.3 无机非金属材料 2.3.1 陶瓷材料 2.3.2 石膏材料 2.3.3 彩色砂岩 2.3.4 淀粉2.3.1 陶瓷材料 定义：陶瓷材料是由金属和非金属元素的化合物组成的多晶固体材料。 性能：其刚度较好，硬度较高，是工程常用的耐高温材
28、料和绝缘材料。但塑性很差，没有延展性，受冲击时容易断裂。 优点:（1）陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多1500HV以上；（2）陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差；（3）陶瓷材料一般具有很高的熔点（大多在2000以上），并且能够在高温下呈现出极好的化学稳定性； （4）陶瓷是良好的隔热材料，导热性低于金属材料，同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 （5）陶瓷材料在高温下不容易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。 （6）陶瓷材料还具有其他独特的光学性能，可用作光导纤维材料、固化激光器材料、光储存器等。透明陶瓷可用于高
29、压钠灯管等。 （7）磁性陶瓷在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前景。2.3.1 陶瓷材料 1. 3D打印陶瓷技术（1）喷墨打印技术（IJP）（2）熔化沉积成型技术（FDM）（3）光固化成型技术（SLA）（4）激光选区烧结技术（SLS）2. 3D打印陶瓷材料制备方法：（1）将陶瓷粉与粘结剂直接混合；（2）将粘结剂覆在陶瓷颗粒表面，制成覆膜陶瓷；（3）将陶瓷粉末进行表面改性后再与粘结剂混合。2.3.1 陶瓷材料2.3.2 石膏材料 1.石膏定义 石膏的化学本质是硫酸钙，通常所说的石膏是指生石膏，化学本质是二水硫酸钙（CaSO42H2O）。 2.石膏材料的特点(1）
30、精细的颗粒粉末，颗粒直径易于调整。 (2）价格相对低，性价比高。 (3）安全环保，无毒无害。 (4）模型表面：沙粒感、颗粒状。 (5）颜色：材料本身为白色 ，打印模型可实现彩色。 (6）典型应用：唯一支持全彩色打印的材料 ，建筑模型展示。 3.石膏材料在 3D 打印材料中的应用2.3.3 彩色砂岩 砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成，其中砂粒含量大于50%。 绝大部分砂岩是由石英或长石组成的，石英和长石是组成地壳最常见的成分。 砂岩的颜色和成分有关，可以是任何颜色，最常见的是棕色、红色、灰色和白色。2.3.4 淀粉 淀粉主要性能和参数性能性能参数参数颜色白色外观无嗅无味粉末大小1175微米分子式（C6H10O5）n密度1.5g/ml熔点256258沸点357.8燃点380溶解度不溶于冷水、乙醇、乙醚谢谢欣赏！
