3D打印材料从工程塑料到生物基材料的创新应用

    3D打印技术基于三维模型，通过逐层堆积材料构建三维实体，其增材制造特性使其成为“第三次工业革命”的核心技术之一，融合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等多领域前沿技术。

    3D打印技术的三大核心要素

    3D打印技术的实现依赖于三方面关键支撑：

    精准三维设计：需借助计算机辅助设计（CAD）工具完成产品的全方位精准建模；

    高性能成型设备：作为技术落地的硬件基础，直接影响打印效率与精度；

    适配材料体系：需满足制品性能要求及成型工艺特性，是技术突破与创新的关键瓶颈。

    天津天易多维科技有限公司指出，当前3D打印材料主要涵盖聚合物、金属、陶瓷及复合材料四大类。以下对各类材料的典型品类及应用展开详细分析：

    一、工程塑料

    工程塑料是一类具备高强度、耐冲击、耐热及抗老化性能的工业用塑料，广泛应用于3D打印领域，典型材料包括：

    1.ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）

    ABS凭借优异的热熔性与冲击强度，成为熔融沉积3D打印的首选工程塑料。目前主要通过丝材或粉末形式应用，覆盖日用品、工程用品及部分机械制品领域。近年来，ABS的应用范围持续扩大，性能不断提升，通过改性增强粘接性与强度，进一步拓展了其应用场景。

    典型案例：2014年国际空间站采用ABS塑料3D打印机制造零件；Stratasys公司研发的ABS-M30材料，机械性能较传统ABS提升67%，显著扩大了其应用边界。

    2.PA（聚酰胺）

    PA（尼龙）强度高且具备一定柔韧性，可直接用于3D打印设备零部件制造。其碳纤维复合塑料树脂零件强度与韧性优异，可替代金属工具。此外，PA的粘接性与粉末特性使其能与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉混合，通过低温粘接实现复合材料打印。

    应用实例：索尔维公司基于PA工程塑料3D打印发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等，推动汽车轻量化；全球PA工程塑料专家索尔维通过PA基材料3D打印样件，替代传统金属材料，解决汽车轻量化难题。

    3.PC（聚碳酸酯）

    PC强度较ABS高出约60%，适用于超强工程制品。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、智能手机机身及机械齿轮等异型构件的3D打印。

    4.PPSF（聚苯砜）

    PPSF在耐热性、强韧性及耐化学品性方面表现卓越，是快速成型工程塑料中的性能标杆。通过碳纤维、石墨复合处理后，其强度可满足高负荷制品需求，成为金属、陶瓷的理想替代材料。

    5.PEEK（聚醚醚酮）

    PEEK具备优异的耐磨性、生物相容性及化学稳定性，其杨氏模量接近人骨，是长期植入人体的理想人工骨材料。基于熔融沉积成型的3D打印技术结合PEEK材料，可安全、便捷地制造仿生人工骨，且后处理简单。

    6.EP（弹性塑料）

    EP是Shapeways公司研发的新型柔软3D打印材料，通过“逐层烧结”原理塑形，产品具备良好弹性，可恢复形变，有效解决ABS材料在穿戴物品或可变形产品中的脆性问题。应用场景包括3D打印鞋、手机壳及衣物等。

    7.Endur（仿聚丙烯材料）

    Stratasys公司推出的Endur是一种先进仿聚丙烯材料，具有高强度、柔韧度及耐高温性能，打印产品表面质量佳、尺寸稳定性高、收缩率低。其出色的仿聚丙烯特性适用于运动部件、咬合啮合部件及小型容器制造。

    二、生物塑料

    生物塑料以可生物降解性为核心优势，主要包括聚乳酸（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）及聚己内酯（PCL）等。

    1.PLA（聚乳酸）

    PLA是最早应用于3D打印的生物塑料之一，具有多种半透明色与光泽质感。作为环境友好型材料，PLA可生物降解为活性堆肥，原料源自玉米淀粉、甘蔗等可再生资源，而非化石燃料。新加坡南洋理工大学的研究团队利用PLA，通过3D打印技术制备了高孔隙度的组织工程支架，组织分析显示其具备良好的生长支持能力。

    2.PETG（生物基聚酯）

    PETG以甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料，兼具PLA与ABS的优点，具备出众的热成型性、坚韧性与耐候性。其收缩率低、疏水性强，无需密闭储存，且打印过程几乎无气味，应用前景广阔。

    3.PCL（聚己内酯）

    PCL是一种生物可降解聚酯，熔点约60℃，常用于药物传输设备、缝合剂等特殊场景，同时具备形状记忆特性。其低熔点特性使3D打印无需高温，达到节能效果，医学领域可用于打印心脏支架等。

    三、热固性塑料

    热固性树脂（如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等）具备高强度与耐火性，适用于粉末激光烧结成型工艺。例如，哈佛大学与Wyss生物工程研究所联合开发了可3D打印的环氧基热固性树脂，该材料可制造轻质建筑结构件。

    四、光敏树脂

    光敏树脂由聚合物单体与预聚体组成，因良好的液体流动性和瞬间光固化特性，成为高精度3D打印的首选材料。其固化速度快、表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状，且低气味、低刺激性，适合个人桌面3D打印系统。

    五、高分子凝胶

    高分子凝胶（如海藻酸钠、纤维素、动植物胶等）具备智能性，在特定温度、引发剂及交联剂作用下聚合，形成网状高分子凝胶制品。其体积可随离子强度、温度、电场及化学物质变化而改变，应用于形状记忆材料、传感材料及智能药物释放材料等领域。

    综上，3D打印材料体系的多元化与创新性，为各领域应用提供了坚实基础，从工程制造到生物医疗，材料性能的突破正持续推动3D打印技术的边界拓展。