3D打印材料

材料是3D打印的“墨水”，其開發(fā)難度大、成本高，現(xiàn)在仍為構建3D打印生態(tài)圈的掣肘。相比于3D 打印機30%-50%的毛利率，3D 材料的毛利率高達60%-80%。

目前能夠用于3D打印的材料大約有200余種，而傳統(tǒng)減材制造、等材制造的材料有數(shù)萬種。和傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎材料相比，用于3D打印的原材料通常對于耐熱性、靈活性、穩(wěn)定性以及敏感性有更高的要求。

材料類型

3D打印行業(yè)對于打印材料種類的劃分并沒有統(tǒng)一的標準。按照材料的物理狀態(tài)可以將打印材料分為液體材料、薄片材料、粉末材料、絲狀材料等;按照材料對應的打印技術進行分類，則可以分為SLA材料、LOM料、SLS 材料、FDM材料等;按照材料的化學性能，可以分為工程塑料、光敏樹脂、金屬類材料、陶瓷類材料等。

工程塑料

工程塑料是3D打印最常見的材料，占到商用3D打印材料的90%以上。用于3D打印的工程塑料成本比傳統(tǒng)工藝要貴得多，例如熱塑性材料成本為$200/kg，而傳統(tǒng)噴射鑄造用材料成本僅為$2-3/kg。

工程塑料包括熱塑性材料和熱固性材料兩類。這兩類材料的最主要區(qū)別在于熱塑性材料在高溫下可以反復熔融，而熱固性材料一旦定型后則不可以再次熔融。熱塑性材料主要包括ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）工程塑料和聚碳酸酯（PC），而熱固性材料的代表則是尼龍（PA）。

工程塑料主要應用于FDM設備，需要擠出成絲狀。因此需要滿足以下性能：料絲應具備一定的彎曲強度、壓縮強度與拉伸強度，以保證在送料過程中不會發(fā)生斷絲現(xiàn)象，滿足一定的收縮率以防止零件變形，還應當具備足夠的粘結強度，使得各層可以牢固結合在一起。

目前3D打印用工程塑料的研究方向在于基于各類低成本材料進行改性，提高材料的綜合性能使其滿足3D打印工藝要求，并滿足最終產品的特殊性能要求，如耐高溫或強度等，塑料方面的研發(fā)進展將降低FDM設備的使用成本。

ABS 塑料是當前最熱門的FDM 熱塑性塑料之一，通常情況下呈絲狀。ABS 塑料可以進行多種顏色的選擇，甚至可以自定義顏色。比如Stratasys 公司的ABSplus材料在FDM技術的輔助下就能提供象牙色、白色、黑色等九種顏色的選擇。這種材料的優(yōu)點在于打印出的部件機械強度好且有很高的穩(wěn)定性。同時ABS塑料還可以和可溶性支撐材料一起使用，能夠比較容易地制造出復雜的產品形狀。這些優(yōu)點使得ABS 塑料成為桌面機用戶理想的打印耗材。

PC材料是一種白色工程塑料，能夠和FDM技術相結合制造出耐用的模型、工具或最終的產品零件。與ABS塑料相比，PC材料具有更好的強度、耐高溫性、抗沖擊性等優(yōu)點。PC材料優(yōu)異的物理性能使得它能夠被廣泛地應用在電子消費品、汽車、航空航天和醫(yī)療器械等領域。

尼龍粉末材料在所有的FDM打印材料中，具有最佳的Z軸層壓、最高的沖擊強度和出色的化學抗性。但其缺點在于使用這種材料打印出來的產品表面比較粗糙，一般還需要后續(xù)加工。尼龍材料能夠應用在航空、汽車和消費品等多個領域。

金屬材料

金屬材料現(xiàn)階段市場份額較小，產量低于30萬噸/年，但擴張速度最快。3D打印金屬材料以金屬粉末、金屬箔以及金屬絲的形式存在。3D打印用不銹鋼成本為$8/cm3，比一般商用級別的貴100多倍。

金屬材料一般呈現(xiàn)粉末狀，可以用于選擇性激光燒結（SLS）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔煉（EMB）等工業(yè)級別的3D打印機。而如果把金屬材料加入到某些工程塑料材料（如ABS）中去，則可以制成適用于FDM 機型的具有一定金屬屬性的線材。比如將磁鐵粉末加入到PLA材料中，就會使PLA線材在經過拋光處理以后具備金屬的光澤。

金屬材料的高熔點是其應用于3D打印領域的難點。在3D打印金屬材料的過程中，需要考慮金屬的固液相變、表面擴散和熱傳導等。而且用于3D打印的金屬材料在純凈度、球型度、粒徑分布和含氧量等方面都有嚴格的要求。現(xiàn)在市面上常見的金屬材料有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金和鋁合金等。金、銀等貴金屬粉末材料也會被用于打印首飾或藝術品。

金屬粉末的形態(tài)直接影響3D打印產品的質量。金屬粉末制造成本仍較高。目前粉末制備方法按照制備工藝主要可分為水霧化法、氣霧化法和等離子球化法等，如何改進制備方法，以較低的成本實現(xiàn)所需的球形金屬粉末，將顯著推動SLM、SLS設備的發(fā)展。

鈦合金材料可以被應用在EMB等高端打印機上制作工業(yè)零部件。鈦合金材料的強度、耐腐蝕性和耐熱性能都非常優(yōu)異。采用3D打印技術制造出來的鈦合金零部件的強度很高而且其制作的尺寸也非常精確。這些優(yōu)點使得鈦合金被廣泛地應用在航空航天和汽車等領域。但是鈦合金的售價較高，一般每千克需要340到880美元。

鈷鉻合金材料則是一種由金屬鈷和鉻在高溫下熔合而形成的合金。鈷鉻合金具有良好的抗腐蝕性，而且其機械性能也非常優(yōu)異，使之在航空航天和醫(yī)學領域都有很好的應用。目前用于3D 打印的鈷鉻合金售價為每千克120到550美元。

不銹鋼材料可以應用于選擇性激光燒結（SLS）打印機上，主要被用來制作模型和打印工藝品。不銹鋼具有堅固和耐腐蝕等優(yōu)點，是一種性價比很高的打印材料。不銹鋼材料可以用于打印模型，也可以用于打印大尺寸的工業(yè)產品，而且打印出來的產品強度都很高?，F(xiàn)在不銹鋼的市場售價為每千克70到120美元。

鋁合金可以應用在電子束熔煉（EMB）的打印機上，其在醫(yī)學、建筑和工程領域都有著很好的應用前景。鋁合金的密度相對鈦合金和不銹鋼都低，同時具有熔點低、重量輕、負重強度大的優(yōu)點。

陶瓷材料

陶瓷材料一般呈現(xiàn)粉末狀態(tài)，通常用于選擇性激光燒結（SLS）打印機。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。由于粘結劑粉末的熔點較低，激光燒結時只是將粘結劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結在一起。之后，需要將陶瓷制品放入到溫控爐中，進一步高溫燒制才能夠形成最后的成品。

陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多，燒結比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少，則不易燒結成形。

陶瓷顆粒的表面形貌及原始尺寸對陶瓷材料的燒結性能非常重要，陶瓷顆粒越小、表面越接近球形，陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產生較大的熱應力，從而形成較多微裂紋。

陶瓷材料具有高強度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點，具有應用于航空航天和汽車等領域的潛能。同時由于陶瓷材料可以選擇的顏色很多，能夠打印出形態(tài)逼真、色彩豐富的產品，所以陶瓷打印材料也是工藝品、建筑和衛(wèi)浴產品的理想選擇。

樹脂材料

光敏樹脂是用于光固化成型（SLA）或數(shù)字光處理（DLP）系統(tǒng)的重要材料。它能夠在紫外光的照射下發(fā)生聚合反應而固化，一般呈現(xiàn)液體狀態(tài)。這種3D 材料具有高強度、耐高溫和防水的優(yōu)點。但是通常光敏樹脂都具有一定的毒性，需要進行密封保存。光固化樹脂材料主要有三類成分，包括齊聚物、反應性稀釋劑和光引發(fā)劑。

齊聚物是含有不飽和鍵的低分子聚合物，具有許多種類。最常見的種類是各類丙烯酸樹脂。齊聚物是光固化材料中最為基礎的材料，決定了光敏樹脂的黏度、硬度、斷裂延伸率等基本物理化學性能。所以對于齊聚物的選擇非常重要，其選擇標準是無毒、氣味小和難揮發(fā)。

反應稀釋劑是含有雙鍵的小分子溶劑。反應性稀釋劑調節(jié)體系的黏度，降低齊聚物的黏度，避免噴頭因黏度過高而堵塞。反應性稀釋劑還參與到光固化反應之中，影響到聚合反應的動力學、聚合程度以及固化物的物理性質等。反應稀釋劑的選擇標準和齊聚物一樣，也需要具有無毒、氣味小和難揮發(fā)的特性。

光引發(fā)劑是最為關鍵的組分，它決定了光固化材料的質量與光固化反應的速度，光引發(fā)劑根據(jù)產生的活性中間體的不同主要分為陽離子型和自由基型兩大類。光引發(fā)劑可以根據(jù)引發(fā)輻射的能量不同而分為紫外線引發(fā)劑和可見光引發(fā)劑。由于紫外光引發(fā)劑具有存儲穩(wěn)定的優(yōu)點，現(xiàn)在3D 打印市場上所用的光引發(fā)劑都是紫外光引發(fā)劑。

光敏樹脂體系的組分很多，其配方的設計相對來說比較困難。不同的設計配方將會產生不同的材料性能，所以材料的研發(fā)公司通常會把設計配方當作公司的核心機密而不對外公開。

生物用高分子材料

生物3D打印材料主要包括支架材料與直接細胞打印材料。

其中支架類材料需滿足：良好的生物相容性，對細胞和機體無毒害;良好的生物降解特性，可完全被機體降解吸收或排出體外;良好的機械特性，具備一定的力學強度和可塑性，結構長時間保持穩(wěn)定，具有較高的孔隙率;良好的表面相容性，利于細胞在材料表面黏附與生長。

目前支架類材料主要包括：聚富馬酸二羥丙酯（PPF）、聚丙交酯（PLA）、聚碳酸酯、蛋白質、多糖與水凝膠等，其中水凝膠具有良好的生物相容性，以及與人體軟組織相似的力學性質，因此被廣泛應用于組織工程支架材料中。

目前細胞和組織打印技術主要是基于攜帶細胞的水凝膠、藻酸鹽或是膠原，直接控制細胞在微觀尺度的排列分布。

3D打印技術在生物醫(yī)用高分子材料的制備領域仍處于初始階段，要實現(xiàn)3D打印技術在臨床的應用還面臨很多挑戰(zhàn)，包括高分子原料的選擇、后處理過程中保持成型材料的生物相容性以及材料與細胞相互作用的機制等。關鍵材料的研發(fā)進展將推進3D打印技術在醫(yī)藥領域的應用。

其他3D打印材料

導電打印材料是熱塑性材料的一種，可以用于制造具有電子或是機械功能的3D打印產品，比如電路板、手電筒以及可穿戴的照明設備等。首先對這種新興的3D打印材料做出嘗試的是美國的Functionalize 公司。該公司成立于2014 年，是一家專注于導電打印材料研究的公司。其首款導電打印材料F-Electric 已經研制成功并且進入市場出售。這款材料的電阻能夠低至0.75 歐姆/厘米，其導電性能比純PLA線材還要高。

碳纖維材料是一種新興的3D打印材料。它的強度是鋼的五倍而重量卻只有其三分之一，且還具有耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點。目前MarkForged 公司已經制造出專門用于打印碳纖維材料的專業(yè)打印機。但是目前碳纖維材料還停留在制造模型或工具的階段，并沒有成功的工業(yè)產品問世。

材料銷售模式

打印設備廠商對于打印材料的銷售有封閉和開放兩種模式。封閉模式是指消費者只能從打印機設備生產商處購買到與該機型相匹配的打印材料。采用這種模式進行材料銷售的設備生產商可以獲得更高的利潤率，但同時也會限制自由市場競爭，不利于材料性能的改進和新材料的研發(fā)。在3D打印材料中，大多數(shù)工程塑料的銷售采用封閉模式。

而與之相對應的開放模式則允許消費者從第三方材料供應商購買標準的打印材料。絕大多數(shù)金屬打印材料采用開放模式。這種模式吸引了更多的公司來生產和銷售金屬打印材料，使得市場更為充分地競爭，材料價格不斷下降。同時也鼓勵生產商家不斷創(chuàng)新來獲得更多的市場份額。現(xiàn)在金屬打印材料已經成為打印材料里增長最快的市場。

相對應的，市場中上游耗材廠商有兩種類型：單一業(yè)務供應商和全產業(yè)鏈廠商。前者盈利模式非常簡單清晰，后者主要借助打印材料的非標準化市場環(huán)境，將打印材料與打印機鎖定從而獲取高毛利。

3D 打印耗材標準化和打印機廠商耗材鎖定掣肘行業(yè)發(fā)展。一方面，由于行業(yè)仍處于起步階段，3D打印耗材缺乏統(tǒng)一的標準，不同的耗材與打印機缺乏兼容性。另一方面，3D打印機廠商在耗材上紛紛采取鎖定策略，通過密鑰和RFID標簽實現(xiàn)3D打印耗材和3D打印機的綁定，這種做法阻礙了3D打印新材料的發(fā)展，導致第三方材料供應商進入市場的壁壘很高，已經進入市場的供應商也因需求不足而無法加快材料的開發(fā)，導致行業(yè)活力不足。

材料與打印機綁定的模式，打擊了材料廠商的積極性，阻礙了新材料的發(fā)展，打印材料的標準化將是未來的發(fā)展趨勢，打印材料的高毛利率將通過技術壁壘保持，而不是來自當前的鎖定模式。打印材料的標準化發(fā)展將推動打印材料市場的發(fā)展，市場中將進入更多的參與者，市場創(chuàng)新能力將增強，全產業(yè)鏈廠商在材料市場中的份額將受到蠶食，業(yè)務規(guī)模增速將放緩。