石家庄铁道大学
材料设想论文
小组成员姓名：魏明灿 郭铜飞 朱晓峰
小组成员学号：20131049 20131044
小组成员学院：机械工程学院
小组成员班级：试1306
3D打印材料设想
摘要：
众所周知，3D打印已逐渐的进入我们的生活，甚至有人预言说3D打印正在改变着我们的未来。但是，当仔细观察你周围的一些物品和设备，你就会发现3D打印的第一个绊脚石，那就是所需材料的限制。虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印， 但目前可供打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。虽然研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。
本文介绍了目前3D打印发展情况，并以此为依据对某些领域内的材料问题展开设想 ，主要分为三个方向:
1、 对涡轮发动机零件或着部分结构进行整体打印，需要的怎样的材料，创造的社会价值以及寻找的该种材料的方向。
2、 集成电路板3D打印对材料提出的条件，用新型陶瓷作为打印材料的设想，以及所能发挥出的优点。
3、 提出一种新型3D打印支撑物所具有的特点，着重利用了红外线等高能射线。
一、3D打印目前发展情况
美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者，欧洲十分重视对3D打印技术的研发应用。除欧美外，其他国家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。澳大利亚在20##年制定了金属3D打印技术路线；南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发；日本着力推动3D打印技术的推广应用；中国3D打印设计服务市场快速增长，已有几家企业利用3D打印制造技术生产设备和提供服务。
据美国消费者电子协会最新发布的年度报告显示，随着汽车、航空航天、工业和医疗保健等领域市场需求的增加，3D打印服务的社会需求量将逐年增长，有望从20##年的17亿美元增长至20##年的50亿美元。
3D打印技术在国内掀起了一股技术创新热，全球制造业格局已经开始出现革新的趋势。3D技术在工业制造、医疗领域、文化创意和教育等领域有着广泛的应用，其技术优势在于让企业新产品开发周期大大缩短，从而节约开发成本，提高企业市场竞争力。作为产品3D效果展示的技术保障，3D可视化呈现在国内也获得了广泛的应用，许多传统制造业行业企业也都嵌入了3D可视化技术，使用基于各类引擎的3D可视化呈现技术来设计和展示产品，已经成为行业发展的趋势。
材料瓶颈已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印的真正发展将在高端领域即工业应用，而目前高端打印材料的发展尚无法材料瓶颈，材料已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印的真正发展将在高端领域即工业应用，而目前高端打印材料的发展尚无法满足，3D打印技术发展的需要前在工业级打印材料方面存在的问题主要是，第一，可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展;第二，打印流畅性不足;第三，材料强度不够;第四，材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。
二、材料的设想
（一）3D打印集成电路的设想
关键词：3D打印集成电路板 陶瓷材料 多孔陶瓷电路板
众所周知，材料科学与3D打印的关系密切，3D打印主要由设备、软件、材料三部分组成，其中材料是不可或缺的环节。甚至可以说材料决定了3D打印的未来。尽管目前3D打印已涉足诸多领域，但仍有一些事物的打印是其做不到的。比如.目前的3D打印不能制造电子系统的零件，这种局限性在信息时代里严重限制了3D打印的应用范围。因为芯片涉及不同种类的材料，不能同时喷不同种类的材料。比如，如果你想要打印一个带有线路的集成电路板（PCB），这是其目前无法做到的。通过3D打印机制造的新产品将融新材料、纳米尺度以及印刷电子器件于一体,这不仅需要3D打印机在技术上改进，但最迫切的是要新的材料作为支撑，目前电路板运用最广泛的有以下几种材料：
1阻燃覆铜箔酚醛纸层压板
2阻燃覆铜箔环氧E玻纤布层压板及其粘结片材料
3阻燃覆铜箔环氧/PPO玻璃布层压板及其粘结片材料
4阻燃覆铜箔改性或未改性环氧玻璃布层压板及其粘结片材料
5阻燃覆铜箔环氧E玻璃布层压板(用于催化加成法)
然而这些材料在应用于3D打印时都存在一个巨大的缺陷，即没有较强的耐热性能。上述材料只能承受100℃~220℃的温度，这显然无法承受使导体金属熔化的温度（如铜的熔点为1804℃）
因此我们需要一种可以和金属同时打印出来却又不影响其自身绝缘性的耐高温绝缘材料，其应比普通聚合物有更高的耐热性，使得打印金属材料和非金属材料的工作能够同时或是依次进行进行，同时应考虑到材料本身是否可用于打印，也许，我们应该求助于陶瓷材料。
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，首先是陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。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；然而最重要的还是大多数陶瓷具有良好的电绝缘性我们可以通过在普通陶瓷材料的基础上加以改进使之成为像氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等具有特殊属性的特种陶瓷，这样便可以解决3D打印时不同材料温度不同而无法打印的问题了,同时，目前已经出现了有3D打印技术打印出的陶瓷制品。同时可将采用多孔陶瓷电路板。
多孔陶瓷电路板，适用于搭配电子元件使用，并包含一由多孔陶瓷制成的基板，及一被覆于该基板顶面并构成一预定电路图布而可供电子元件电连接的导电层。借由多孔陶瓷基板的多孔性结构所具有的大表面积，可快速地将该电子元件作功产生的热量散除，及可迅速降低电子元件的热量。同时又由于其具有多孔结构，使得其在质量上不会比一般材料笨重。
在打印时可以采用分步形式，首先是线路和板材的打印，随后可以在打印好的电路板上打印、加装或是焊接电子元件。
综上所述，采用陶瓷电路板作为3D打印耗材既可解决多种材料由于温度不同无法打印的问题，且可加快电子元件的散热。
（二）3D打印支撑材料设想
关键词：膜光解 填充物 环保 牵涉到许许多多的小孔
随着消费者对3D打印产品的要求愈加精致，在技术和实物结构上对生产商的要求就必然会提高，而产品结构又必然会受到现今可用于3D打印材料的限制，因此今天我们将着重探讨产品结构与3D打印材料的问题，为了使所要探讨的问题更加明确，我们缩小范围主要讲述3D打印材料中的“支撑物”的环节。一个精致的产品肯定会“包含孔洞及悬臂这样的复杂结构，这时介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。【1】”我们现在应用较为广泛的填充物有ABS和PLA，此外还有一些人还在测试其他种类的材料：如木纹、尼龙、HIPS等【2】。这些支撑物有一个共同的特点，就是需要在产品制好之后要用某种溶液将支撑物溶解，这样的话如若进行市场化生产，就必将会带来大量工业废水，而且其中的很多可再利用的化学物质很难回收，从而造成资源浪费，更大的难题是有时产品和支撑物会同时溶解。因此我们着手设想一种环保、低投入、可回收的填充物。下文将详细介绍此种填充物的基本材料构成及所运用的基本原理。
1、基本原理
由于在制造产品时，产品在什么位置需要填充物对于填充物的选择以及如何将填充物从产品上去除有很大影响，因此在介绍基本原理之前，我将粗略列述：按空间来分可分为内层和外层。举例来说，如打印一个空心铁球，在铁球内空中加填充物就叫做在“内层”放支撑物。下面我将介绍本次设计的填充物用到的基本原理：1、如果填充物在内层，我们将利用“激光”将其溶解，然后除去，此处将利用“激光的高能性”；2、如果填充物在外层，我们除可以采用高能激光溶解法，还可采用把支撑物完整拿下来的办法，此处将还会涉及到一种特殊的膜——此处将利用到“激光分割”。
2、基本材料的设想
进行科学探讨必定要运用科学的方法。因此我们应先了解此种材料应所具有的特点，根据上述基本原理，我们可以得到一下结论：此种材料必须具有这样的特点，在红外线等高能射线的照射下能够溶解，并且由于3D打印产品时是在相当高温下进行的，因此这种材料也必须具有耐一定高温的性质。根据激光本身特点——定向发光、能量密度大、颜射鲜明【3】，激光可通过“层裂”的方法破坏填充物（所谓层裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被电离，形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏【4】。）。根据这些特点及结论，我们将大大的扩大可用填充物的范围，这将预示着想钢铁及铝等普通金属成为大有可为的填充物成为可能。在此处我们并不能给出具体的材料，因为这需要实验室数据，但是我们可以给出以上填充物的特点以缩小收索范围。
3、材料以外的延伸
在对这个问题思考时，我和其他两位笔者又在设想是否有一天可能不再需要这种有形的支撑物，而去依靠某种看不见的外力去支撑，例如利用气压提供平衡？在人类历史的发展长河中，不正是从人类的奇思妙想中、从不可能中走到今天的缤纷复杂的材料世界吗？
(三)3D打印涡轮发动机
关键词：3D打印涡轮发动机 单晶材料
试想一下，如果有一天，飞机的涡轮发动机能够凭借3D打印技术工业化批量生产，那么我国的国防能力将会有巨大的提高，人们的生活将会有怎样的改变，3D打印具有复杂结构零件精确打印的优势，可以对涡轮发动机进行整体结构的打印，能节省成本和组装时间，美国宇航局在今年8月份发布消息称他们成功通过3D打印技术打印出火箭发动机组件，从原先的115个零件缩减为2个组成。但目前打印技术不够成熟，打印材料问题更是突出，理论上来说，所有的材料都可以用于3D打印，但目前主要以石膏、光敏树脂、塑料为主，这很难满足大众用户的需求。工业级的3D 打印材料更是十分有限，目前适用的金属材料只有10 余种，需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机，即选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)技术。，而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是，第一，可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展;第二，打印流畅性不足;第三，材料强度不够;第四，材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。涡轮发动机的材料要求低密度，强度高，耐高温等苛刻条件，目前能3D打印的最为接近的材料为钛合金，但钛合金熔点为1672度，涡轮发动机工作时的温度已经超过了1700度.所以想要实现涡轮发动机批量生产，首当要解决材料问题，新材料需要满足以下条件：
（1）、该材料可打印，具有良好的可烧结性。
（2）、满足涡轮发动机材料要求
（3）、材料成本不高、对环境影响不大
目前用于制作涡轮发动机材料的有单晶高温合金，粉末高温合金，近期的发展方向是：定向共晶合金、超单晶合金、机械合金化高温合金，远期的是人工纤维增强高温合金、定向再结晶氧化物弥散强化合金以及新的能承受高温度的材料如金属间化合物及复合材料，碳－碳复合材料，陶瓷和陶瓷基复合材料等，在不久的将来，若能将以上材料成功改良应用于3D打印领域。那么飞机进入平常百姓家中就不再是梦想，人们的主要交通方式发生将发生巨大改变。
三、参考文献
1、3D打印百度文库
2、3D打印材料 3D打印-iCAx开思网
3、激光百科
4、3D打印维基百科
5、《企业观察报》
第二篇：论文打印材料要求
说明：以下材料均要一式二份打印后与毕业论文、毕业生登记表一起于3月底前
交学校。红色字为要求
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毕 业 论 文
本页全部要填写
题目：
学 生： （ 填学号 ）
班 级：
学 号：
专 业：
指导教师： 函授站名： 苏州
二O 一二年三 月 三十日
附表3
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毕业论文选题表
函授站名称：
注：此表一式两份，指导教师一份，学生一份
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学生毕业论文指导情况记录表
函授站名称：
年 月 日
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全部填写
题 目 学生姓名专业年级指导教师 函授站名
二〇 年 月
一、《毕业论文简况》栏，由学生本人填写，内容包括毕业论文内容摘要和作毕业论文的收获体会及存在问题。
二、《指导教师及评阅人意见》主要内容包括：论文中所提问题的理论意义或实际意义；论文的优缺点、错误或有争议性的问题；论文质量、文理修养；是否有应用的可能性等。
三、《答辩评语》着重记载学生综合运用所学知识的能力，分析和解决问题的能力等。
四、按优、良、中、及格和不及格五级记分制评分。
五、填写时注意一律用钢笔，字迹清楚，内容简明扼要。
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学生毕业论文答辩题参考表
函授站名称：苏州
要求：每篇论文由指导老师在学生定稿后出5个题目，供学生在答辩时参考。该表随论文（定稿）
一并送交继教院函授部（函授站）。
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答辩组长：＿＿＿＿＿＿ 记录人：＿＿＿＿＿＿＿ 答辩组成员：＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿