先進材料正在塑造聚合物基增材製造的未來

導讀：複合材料，高性能聚合物和4D列印材料正在將增材製造推向新高度。

雖然多年來基於聚合物的3D列印技術被認為僅限於原型應用或低需求製造領域，但硬體和材料領域的最新發展正在幫助該技術成為先進工業應用的關鍵資源。而在這種多樣化中發揮重要作用的是，一組高性能材料——廣泛稱為高級聚合物。

這些材料包括各種複合材料和工業塑料，如PAEK（聚芳醚酮）族聚合物，使製造商能夠在一系列工業應用中3D列印功能原型甚至最終用途部件——這是以前使用熱塑性長絲擠出機(FDM/FFF)時遇到的一個挑戰。

在整個行業中，化學和材料公司正在越來越多地開發先進材料——這些材料多年來一直在工業製造中建立——專門用於增材製造。許多3D印表機硬體製造商也在與這些公司密切合作，以使材料適用於3D列印硬體，最終在兩個方面尋求優化。

正是通過這個行業的協作性，我們今天看到了增材製造和先進聚合物的新可能性。雖然這些材料的前景正在不斷變化，但下面可以先來看看這些先進材料的應用現狀。

複合材料

複合材料是由熱塑性基體和增強纖維組成的一組材料。目前，用於3D列印的複合材料通常用碳纖維、玻璃纖維或Kevlar纖維增強。

尼龍3D列印，來自Stratasys的3D列印

這些材料以粉末、粒料或長絲的形式提供，最常見的是短切纖維，儘管正在研究越來越多的連續纖維複合列印。將複合材料用於生產零件或功能原型的主要原因是材料具有高強度和其他高性能（通常與金屬相當），但沒有金屬材料那麼高的成本與重量。

3D列印複合材料中存在的當前挑戰是如何找到最理想的方法將纖維整合到熱塑性基體中，並開發更堅固的3D印表機和擠壓機來加工硬化材料。儘管如此，許多公司正在開發複合材料和3D列印系統，使複合材料增材製造日益可行。

眼下複合3D列印的一些關鍵參與者是Markforged，Stratasys，EnvisionTEC，Continuous Composites 3D，Arevo Labs，Impossible Objects，Cincinnati Inc.等等公司——這些只是在硬體方面。

高性能聚合物

也許在高性能聚合物類別中最值得注意的是PAEK系列材料，其包括PEEK，PEKK和PEI（也稱為ULTEM）。這些材料在傳統製造中得到了很好的應用（但使用傳統的成型技術非常難以成型），它們提供了許多有吸引力的特性，如高抗應力和強度。 PAEK系列材料的特點還在於具有400°C的高熔融溫度，這有利於耐熱和耐火，但與標準3D列印材料相比，它們更難以加工。

適用於增材製造的高性能聚合物的出現有望推進工業領域的應用。PAEK系列材料可應用於商業航空航天，醫療，汽車等領域。

PEEK長絲

值得注意的是，諸如PEEK和PEKK材料正在適用於不同的3D列印技術，即基於粉末的系統和基於沉積的機器。PEEK非常適合FDM/FFF 3D列印，因為它具有低吸濕性，但它確實需要比傳統長絲更高的加工溫度。

目前，少數公司為FDM工藝提供或正在開發PAEK系列材料。據不完全統計，它們包括但不限於Solvay，SABIC，Victrex，3DXTECH，3D4Makers，Lehmann＆Voss和TreeD Filaments等公司。

在粉末市場，PEEK和PEKK高性能粉末有望在不久的將來被廣泛用於最終用途部件。然而，目前，粉末的供應相當有限。EOS是一家提供PEEK材料認證的聚合物粉末床熔合技術的公司，通過一系列其他第三方粉末已成功用於EOS機器。PAEK系列粉末製造業務的其他主要參與者是德國的RAUCH，Evonik和Oxford Performance Materials。

4D列印材料

在很大程度上仍處於發展階段4D列印材料之所以如此，是因為它們需要將時間和運動的元素整合到他們的行為中。一些最常被探索的4D列印材料是形狀記憶聚合物，這是一種聚合物智能材料，可以在一種狀態下列印並且在暴露於特定刺激（例如熱，濕度或光）時轉變成另一種狀態。這些特徵使得可以生產自組裝結構。

4D列印八面體，來自麻省理工學院

事實證明，增材製造非常適合生產可以變形的物體，主要是因為它能夠以研究人員可以控制和預測最終轉變的方式精確地沉積剛性和可變形材料。目前，有許多研究小組致力於推動4D列印材料及其應用。這個概念本身是由Skylar Tibbits在麻省理工學院自組裝實驗室率先提出的，他正在繼續推進中。

越來越先進的材料

雖然以上這些是先進材料的三大主要群體——儘管在它們被廣泛採用和開發之前還有很長的路要走——但誰也說不準，未來還會有什麼增材製造創造或改造新材料。我們也許可以將石墨烯複合材料看作是未來的可能出現在這一領域內的一個例子，因為它具有許多優點。另一個值得注意的生物材料的開。

同樣值得注意的是，在聚合物3D列印領域，該行業沒有直接從PLA和ABS等材料跳到複合材料和PEEK。目前採用的許多材料雖然不是嚴格的先進材料，但已經在工業上得到認可。這些材料，包括尼龍，PP，PC和其他一些材料，在我們以上所述的先進材料更廣泛地應用之前，它們可能仍然是工業聚合物的主要產品。（本文作者：Tess Boissonneault）

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