南极熊盘点：聚合物3D打印材料
由于3D打印制造技术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补充。同时3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，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。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。
3D打印无人机（工程材料）
常言道：“巧妇难为无米之炊。”对于3D打印这样一种高科技也是同样道理。一定程度上，打印材料是打印技术不可或缺的物质基础，决定了最终的成品属性。
在南极熊看来，3D打印制造技术主要由3个关键要素组成：
1.产品需要进行精准的三维设计，运用计算机辅助设计（CAD）工具对产品全方位精准定位；
2.是需要强大的成型设备；
3.是需要满足制品性能和成型工艺的材料。
3D打印铂金首饰（项链）
我们上面说的3D打印（增材）是相对于减材成型来讲的，减材成型指的是运用分离技术把多余的材料有序地从基体上剔除出去，如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。
数控车床加工零部件
传统成型工艺激光切割，造成材料的浪费
受压成型指的是主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。受压成型多用于毛坯阶段的模型制作，也有直接用于手工件成型的例子，如精密铸造、精密锻造等净成型都属于受压成型。
3D打印技术从狭义上来说主要是指增材制造技术，从成型工艺上来看，3D打印技术突破了传统成型方法限制，通过快速自动成型系统与计算机数据模型相结合，无需任何附加的工艺模具制造和机械加工就能制造出各种形状复杂的原型，使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。
世界首家3D打印汽车，飞利浦3D打印剃须刀
3D打印自动步枪，甲骨文3D打印复制品
3D打印技术真正的优势在于其打印材料，3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。3D打印可以很好地模仿塑料与金属材料的机械或者热能属性，然而这也是当前制约3D打印发展的一大技术原因。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
下面南极熊将从聚合物材材料进行分析，简要介绍当前3D打印材料的发展现状以及存在的问题。
3D打印 聚合物材料（工程塑料）在航天方面的应用
3D打印无人机
3D打印无人机所用聚合物材料
1、工程塑料
工程塑料，指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，具有强度高、耐冲击性、耐热性、硬度高以及抗老化性等优点，正常变形温度可以超过90℃，可进行机械加工、喷漆以及电镀。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、 聚碳酸酯（PC）、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮（PEEK）等。
（1）ABS材料
ABS材料具有良好的热熔性和冲击强度，是熔融沉积成型3D打印工艺的首选工程塑料，目前主要是将ABS预制成丝、粉末化后使用，应用范围几乎涵盖所有日用品、工程用品和部分机械用品。ABS材料的颜色种类很多，如象牙白、白色、黑色、深灰色、红色、蓝色、玫瑰红色等，在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大，而且性能不断提升，借助ABS强大的粘接性、强度通过对ABS的改性，使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。
ABS材料
使用ABS耗材打印的齿轮
2014年，国际空间站用ABS塑料3d打印机为其打印零部件，世界上最大的3D打印机材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30，专为3D打印制造设计，机械性能比传统的ABS材料提高了67%，从而扩大了ABS的应用范围。
（2）PA材料
PA材料虽然强度高，但也具备一定的柔韧性，因此，可以直接利用3D打印制造设备零件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件，具有很高的韧度，可用于机械工具代替金属工具。全球著名PA工程塑料的专家索尔维公司，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。用PA材料代替传统的金属材料，最终解决了汽车轻量化问题。
PA粉末及其复合材料
PA材料的钓鱼线
PA材料广泛应用于制造燃料滤网、燃料过滤器、罐、捕集器、储油槽、发动机汽缸盖罩、散热器水缸、平衡旋转轴齿轮。也可用在汽车的电器配件、接线柱以及用于制作一次性打火机体、碱性干电池衬垫，摩托车驾驶员的头盔，办公机器外壳等。另外，它还可用作驱动、控制部件等。
（3）PC材料
高透明PC材料阳光板
3D打印吹塑成型模具
PC（聚碳酸酯）材料算得上是一种真正的热塑性材料，具有高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲等特点，强度比ABS材料还要高60%，可以作为最终零部件使用甚至超强工程制品的应用。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。
医疗级PC料制作成的注射器
PC工程塑料的三大应用领域是玻璃装配业、汽车工业和电子、电器工业，其次还有工业机械零件、光盘、包装、计算机等办公室设备、医疗及保健、薄膜、休闲和防护器材等。PC可用作门窗玻璃，PC层压板广泛用于银行、使馆、拘留所和公共场所的防护窗，用于飞机舱罩，照明设备、工业安全档板和防弹玻璃。
（4）PPSF材料
PPSF材料是所有热塑性材料里面强度最高，耐热性最好，抗腐蚀性最高的材料。广泛用于航空航天，交通工具及医疗行业。通常作为最终零部件使用。
PPSF材料制作外壳
PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性，在各种快速成型工程塑料之中性能最佳，通过碳纤维、石墨的复合处理，PPSF材料能够表现出极高的强度，可用于3D打印制造该承受负荷的制品，成为替代金属、陶瓷的首选材料。
（5）PEEK材料
PEEK（聚醚醚酮）是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，可制造加工成各种机械零部件，如汽车齿轮、油筛、换档启动盘；飞机发动机零部件、自动洗衣机转轮、医疗器械零部件等。
PEEK材料适合制造人体植入物
PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。
（6）EP材料
使用EP材料打印的鞋子手机壳
EP（Elasto Plastic）即弹性塑料，是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料，它能避免用ABS打印的穿戴物品或者可变形类产品存在的脆弱性问题。EP材料非常柔软，在进行塑形时，跟ABS一样采用“逐层烧结”原理，但打印的产品弹性却相当好，变形后也容易复原。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。
（7）Ender材料
Ender材料是Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料，它是一种先进的防聚丙烯材料，可满足各种不同领域的应用需求。Endur材料具有高强度、柔韧度好和耐高温性能，用其打印的产品表面质量佳，且尺寸稳定性好，不易收缩。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能够用于打印运动部件、咬合啮合部件以及小型盒子和容器。
3D打印的Endur笔筒
（8）PVA(聚乙烯醇)
PVA或聚乙烯醇是一种可生物降解的合成聚合物，它最大的特点就是它的水溶性。
作为一种应用于FDM中的新型打印线条，PVA 在打印过程中是一种很好的支撑材料。
在打印过程结束后，由之所组成的支撑部分能在水中完全溶解且无毒无味，因此可以很容易地从模型上清除。全球打印耗材知名生产商易生(Esun)已推出的PVC水溶性支撑材料在国内乃至国际都获得一致好评。在打印过程中，其与PLA耗材的配合堪称完美。
2.生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（PETG）、聚-羟基丁酸酯（PHB）、 聚-羟基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯 （PBS）、聚己内酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性。
（1）PLA材料
PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸，可能是3D打印起初使用得最好的原材料，具有多种半透明色和光泽感。作为一种环境友好型塑料，聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它是从玉米淀粉和甘蔗中提取的，而不是化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan.K.H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中，采用可降解高分子材料制造了高孔隙度的PLA组织工程支架，通过对该支架进行组织分析，发现其具有生长能力。
PLA材料
PLA材料打印的物体
PLA（聚乳酸）是一种新型的生物基及可生物降解材料，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。
（2）PETG材料
PETG材料是一种透明塑料，是一种非晶型共聚酯，具有较好的粘性、透明度、颜色、耐化学药剂、和抗应力白化能力。可很快热成型或挤出吹塑成型。粘度比丙烯酸(亚克力)好。其制品高度透明，抗冲击性能优异，特别适宜成型厚壁透明制品。可以广泛应用于板片材、高性能收缩膜、瓶用及异型材等市场。
PETG材料
PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。这种材料具有较好的热成型、坚韧性和耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高。PETG作为一种新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的优点。在3D打印时，材料的收缩率非常小，并且具有良好的疏水性，无需在密闭空间里贮存。由于PETG的收缩率低、温度低，在打印过程中几乎没有气味，使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。
PETG材料的化妆品瓶和瓶盖，具有玻璃一样的透明度
颜色亮丽的PETG打印外壳
PETG线材打印出来的产品轻巧，没有任何的厚重感。PETG线材本身就有很好的延展性，而且它在抗冲击性方面也是不错的。也能够很好地粘附在多种构建平台上，具有优异的层粘合。当然，还具有优良的美学品质，因为它在打印时会产生一种亚光效果的光泽。与其它传统的ABS相比，这种PETG线材提供了更为优异的抗压性。而且打印出来的产品不用担心会出现裂开这种问题，打印过程也无需担心会产生异味。不过需要提醒的是，这种PETG线材不易于去除支撑，打印大面积产品的话也是容易起翘的。
（3）PCL材料
PCL（聚己内酯）具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性，而被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系，可运用于组织工程已经作为药物缓释系统。
利用PCL材料打印的玩具
PCL材料是一种可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右，与大部分生物材料一样，人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，可用来打印心脏支架等。
3D打印PCL材料支架
在3D打印中，PCL主要用于FDM打印机。由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。同时，也由于熔点低使得它可以有效避免人员操作时的烫伤。目前业内人士正在着力研究PCL熔点低的优异特性，并且希望借助这种特性制造出儿童打印机。另外，因为其具有形状记忆的特性，它使得打印出来的东西具有“记忆”，在特定条件下，可以使其恢复到原先设定的形状。
PCL材料可用于医学领域，在3D打印中，同样可以用在医学领域，比如把它用来打印心脏支架，业内人士也在探索其更多的可能性。
（4）PHA材料
PHA(聚羟基脂肪酸酯)是一种以植物为原料的生物基材料，这种生物基材料具有可降解的特性。由于它无毒无害，目前它常常被用来制作医学器具、食品包装袋、儿童玩具、电子产品外壳等。
PHA线材
回收时，由于它的可生物降解性，我们只需要像掩埋食品垃圾一样将其掩埋，它便可在土壤中自然降解。不仅如此，它在淡水和盐水中也能像在土壤中安静降解，并且不会留下任何颗粒物。
使用PHAbulous Philaments 线材，用户就再也不用担心自己打印坏了的3D物品可能会对环境产生不利的影响，您只需将它埋在自家后院，60天内它就能完全生物降解，甚至会起到堆肥的作用，让您的花园土壤更加肥沃。另外，PHA在海洋中也很容易生物降解。
3.光敏树脂
光固化树脂又称光敏树脂，是一种受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化，进而交联固化的低聚物。光固化复合树脂是目前口腔科常用的充填、修复材料，由于它的色泽美观，具有一定的的抗压强度，因此在临床应用中起着重要的作用，用于前牙各类缺损及窝洞修复能取得满意的效果。
光敏树脂材料的牙齿
光敏树脂材料打印出来的物体呈现出半透明磨砂状态
3D打印散热器风扇和耳塞套
光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特征，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂固化速度快、表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明或半透明磨砂状态。光敏树脂具有气味低、刺激性成分低等特征，非常适合个人桌面3D打印系统。
4.高分子凝胶
海藻也可作为3D打印材料
网状高分子凝胶制品：水凝胶降温贴
高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料。凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料；凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料。