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當(dāng)前位置：首頁 > 技術(shù)支持 > 建材、模型類 > 硫酸鈣(石膏)在3D打印材料中的應(yīng)用綜述
（荊門市磊鑫石膏制品有限公司 湖北荊門 448000）
摘 要：本文主要對(duì)硫酸鈣（石膏）、ABS樹脂和光敏樹脂這三種常見的3D打印材料的優(yōu)劣勢進(jìn)行了對(duì)比分析，也單獨(dú)例舉了硫酸鈣（石膏）在3D打印材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀。由于硫酸鈣（石膏）有性價(jià)比高、安全環(huán)保、無毒無害等諸多優(yōu)勢，專家推薦3D打印技術(shù)還不是非常成熟的時(shí)期盡量選擇石膏作為3D打印材料。
關(guān)鍵詞：硫酸鈣；石膏；材料；3D打印
1 3D打印機(jī)
也許我們提到“3D打印”覺得是個(gè)新鮮事，但事實(shí)上它已經(jīng)有將近20年的發(fā)展歷史了。目前在汽車制造行業(yè)應(yīng)用3D打印日益廣泛，同時(shí)建筑、醫(yī)療、文化創(chuàng)意及文物修復(fù)等行業(yè)也已經(jīng)開始引入3D打印這一新技術(shù)。
恩里科·迪尼[1]（Enrico Dini）發(fā)明設(shè)計(jì)的一種神奇的打印機(jī)，它不僅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印任何所需物品的形狀，這就是3D打印機(jī)（3D Printers）。普通打印機(jī)和3D打印機(jī)最大的差別就在于耗材不同，墨水和紙張是普通打印機(jī)的耗材，而3D打印機(jī)主要是由石膏粉末、樹脂或工程塑料組成的，常用材料還有金屬粉、陶瓷粉、尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等，這些成型材料都是經(jīng)過特殊處理的，但是不同技術(shù)與材料各自的成型速度和模型強(qiáng)度以及分辨率、模型可測試性、細(xì)節(jié)精度都有很大區(qū)別，用戶需按實(shí)際用途來選擇。
2石膏簡介
石膏的化學(xué)本質(zhì)是硫酸鈣，通常所說的石膏是指生石膏，化學(xué)本質(zhì)是二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)。當(dāng)其再干燥條件下128℃是會(huì)失去部分結(jié)晶水變?yōu)棣?半水石膏，其化學(xué)本質(zhì)是β-半水硫酸鈣(β-CaSO4·1/2H2O)，如果其在飽和蒸汽壓在時(shí)會(huì)失去部分結(jié)晶水變?yōu)棣?半水石膏，其化學(xué)本質(zhì)是α-半水硫酸鈣(α-CaSO4·1/2H2O)，這兩個(gè)半水石膏化學(xué)式相同，結(jié)構(gòu)不同。它們繼續(xù)脫去結(jié)晶水形成無水石膏，化學(xué)本質(zhì)是無水硫酸鈣(CaSO4)。
二水硫酸鈣和無水硫酸鈣用途比較廣泛，在食品、農(nóng)業(yè)、化工、涂料等多方面都用應(yīng)用。半水硫酸鈣具有較好凝膠性質(zhì)遇水可固結(jié)形成一定強(qiáng)度的材料，其中β-半水硫酸鈣多用于建筑行業(yè)，α-半水硫酸鈣多用于模具制造等。
3石膏材料在3D打印材料中的優(yōu)勢
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已經(jīng)研究出可以使用在3D打印機(jī)上的材料約有14種，主要有ABS塑料、PC工程塑料，以及金屬粉末、木材、蠟、石膏粉等，在此基礎(chǔ)上又可混搭出107種，其中使用粉末微粒作為打印介質(zhì)(最常用的是石膏粉)的3D打印機(jī)，打印的模型更精細(xì)一點(diǎn)。這些材料多為粉末或者黏稠的液體，從價(jià)格上來看，一公斤從幾百元到幾萬元不等，而半水石膏粉市場價(jià)在幾元一公斤，就價(jià)格而言優(yōu)勢明顯。[2]
按照打印材料分，常見3D打印機(jī)可以分為硫酸鈣（石膏）材料打印機(jī)、ABS材料打印機(jī)、光敏樹脂材料打印機(jī)等，不同的材料在3D打印時(shí)有著不同的特點(diǎn)。
3.1硫酸鈣（石膏）材料的特點(diǎn)
……
3.2 ABS材料的特點(diǎn)
（1）由熱塑性塑料組成；
（2）模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)中等；
（3）強(qiáng)度高；
（4）打印時(shí)有一定氣味；
（5）熔點(diǎn)約為170攝氏度；
（6）模型表面：相對(duì)粗糙；
（7）適合于產(chǎn)品的功能驗(yàn)證（Functional model）；
（8）打印成型技術(shù)：融融沉積技術(shù)（Fused Deposition Modeling-FDM）。
3.3光敏樹脂材料特點(diǎn)
（1）由液態(tài)光聚合劑組成；
（2）價(jià)格相對(duì)高；
（3）模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力強(qiáng)；
（4）模型表面：光滑；
（5）顏色：材料本身灰白色；
（6）典型應(yīng)用：小的、細(xì)節(jié)模型或雕像。
4石膏在3D打印材料中的應(yīng)用
4.1專家建議打印選擇石膏材料
在許多人的眼中，3D打印技術(shù)就是一個(gè)點(diǎn)石成金的魔法，在理論上“無孔不入”的打印技術(shù)，近年來在全球持續(xù)升溫、熱潮頻襲，3D打印技術(shù)也在不斷推陳出新。
有報(bào)道稱，如果用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等樹脂、塑料為材料進(jìn)行3D打印的話，會(huì)排放大量直徑通常不超過100納米的超細(xì)粒子。如果人吸入這些粒子后，這些粒子可能就會(huì)沉積在肺部或直接被血液吸收，從而導(dǎo)致包括心肺死亡、中風(fēng)和哮喘等疾病。[3]
目前3D打印機(jī)常用的材料有石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。其中塑料、樹脂等大多難以降解，打印材料本身就具有潛在的危害及毒性，一旦大規(guī)模運(yùn)用恐怕會(huì)給人體帶來致癌等危險(xiǎn)。所以，在選擇3D打印材料上，需要考慮其是否安全無毒、是否環(huán)保、是否具有可持續(xù)性。[4]
還有專家建議，在3D打印技術(shù)還不是非常成熟的時(shí)期，盡量選擇石膏作為3D打印材料，石膏在現(xiàn)有的3D打印材料中是最安全和環(huán)保的。
4.2石膏骨折病患福音
骨折事件本身并不是最悲慘的，最糟糕的是骨折后將要采取的治療。骨折后一般會(huì)在骨折部位打石膏，人們的行動(dòng)會(huì)十分不便。這種保護(hù)架可針對(duì)每個(gè)病人進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計(jì)。此外，這種框架僅僅會(huì)保護(hù)受傷部位，其他部位則不需要被固定。
畢業(yè)于新西蘭維多利亞大學(xué)的學(xué)生利用三維打印機(jī)創(chuàng)建出一種新型石膏，這種石膏重量較輕，且可進(jìn)行彎曲。這種保護(hù)架可針對(duì)每個(gè)病人進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計(jì)。此外，這種框架僅僅會(huì)保護(hù)受傷部位，其他部位則不需要被固定。這種新型石膏的優(yōu)點(diǎn)在于其輕便耐用的設(shè)計(jì)，且可以清洗，有助于皮膚“呼吸”。
4.3快速成型石膏人偶
克隆就是復(fù)制、拷貝和翻倍一個(gè)物品。武漢光谷商家引進(jìn)3D色彩人像攝影新技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)開始投入運(yùn)行，該技術(shù)采用專業(yè)掃描儀，對(duì)人體進(jìn)行快速立體掃描，在電腦上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用高強(qiáng)度復(fù)合石膏粉，經(jīng)過3D打印機(jī)很快就可以“打”出15至30厘米不等的“人偶”。[5]
4.4骨骼打印
張永莉一文中提到的高純度半水硫酸鈣，具有良好的生物相容性、生物可吸收性、骨傳導(dǎo)性、快速吸收特性、易加工性和高機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，憑借這些優(yōu)勢，最早應(yīng)用在整形外科或齒科材料中。眾多研究結(jié)果均表明，硫酸鈣基材料可以用作骨修復(fù)材料，也是最早應(yīng)用于組織修復(fù)的材料。[6]
3D打印衣服、鞋子、漢堡等已不是新鮮事了，據(jù)國外媒體報(bào)道，美國的一名患者成功接受一例具有開創(chuàng)性的手術(shù)，用3D打印頭骨替代75%的自身頭骨。[7]不僅如此，我們還希望利用3D打印為更多的患者修復(fù)其他部位的缺失或者受損的骨骼。當(dāng)然，在選擇打印材料的同時(shí)，我們推薦選用純天然、安全環(huán)保、無毒無害的硫酸鈣（石膏）。
5展 望
上世紀(jì)80年代，那時(shí)候打印機(jī)又吵又糙，還只能打單色，小小的指針搭在黑色的墨帶上，比一臺(tái)自動(dòng)電子打字機(jī)強(qiáng)不了多少。但是今天，也就是一代之后，全彩、便宜又安靜的噴墨打印機(jī)已經(jīng)遍地都是了，打出來的分辨率同專業(yè)機(jī)構(gòu)差不了多少。所以，放眼20年以后，也許那個(gè)時(shí)候，3D打印機(jī)能打出比如今最好玩具廠家生產(chǎn)出來的更好玩具，甚至可以直接將電子線路打印到物體上去，加上電池就能直接使用了。
3D打印機(jī)為了適合不同行業(yè)的需求，提供“輕盈小巧”和“大尺寸”的多樣化選擇。已有多款小巧的3D打印機(jī)，并在不斷挑戰(zhàn)“輕盈小巧”極限，為未來進(jìn)入家庭奠定基礎(chǔ)。而打印材料的發(fā)展也尤為重要，3D打印全靠有“米”下鍋，石膏作為性價(jià)比高的打印材料，取材廣泛，價(jià)廉宜得，毒副作用極小，隨著人們研究的深入，石膏在3D打印方面的應(yīng)用將有更廣闊的發(fā)展前景。
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參考文獻(xiàn)
[1] 本刊編輯部.3D打印機(jī)[J].小天使(四年級(jí)語數(shù)英綜合),2013,(第11期).
[2] 3D打印全靠有米下鍋[J].科學(xué)24小時(shí),2013,(第7期).
[3] 張皎潔.武漢3D打印多用石膏[N].楚天金報(bào)，20130730，第23版(中國高科)
[4] 華凌.先別急著把3D打印機(jī)搬回家[N].科技日?qǐng)?bào),2013-07-30(02)
[5] 石一. 3D打印克隆自己[N].武漢晨報(bào),2013-05-06(7)
[6] 張永莉,霍書娟,高建平,李秀蘭,張揚(yáng).明膠/硫酸鈣復(fù)合生物材料[J].高分子材料科學(xué)與工程,2006,(第1期).
[7] 陳潔.3D打印一個(gè)時(shí)代的開啟[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2013,(第4期).
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此文章已成功發(fā)表在《硅谷》雜志2014年6月刊，未以書面同意不得轉(zhuǎn)載，違者必究！
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