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當前位置：首頁 > 技術(shu)支持 > 建材(cai)、模(mo)型類 > 硫酸鈣(石膏)在3D打(da)印材(cai)料中的應用綜(zong)述
（荊門(men)市磊鑫(xin)石膏制品有(you)限公司 湖北荊門(men) 448000）
摘 要：本文主要對硫(liu)酸鈣(gai)（石膏(gao)(gao)）、ABS樹脂(zhi)(zhi)和(he)光敏樹脂(zhi)(zhi)這三種常見的(de)3D打(da)(da)印(yin)材料(liao)的(de)優劣勢(shi)進行了對比分析(xi)，也單獨(du)例舉(ju)了硫(liu)酸鈣(gai)（石膏(gao)(gao)）在3D打(da)(da)印(yin)材料(liao)中的(de)應(ying)用(yong)現狀。由(you)于硫(liu)酸鈣(gai)（石膏(gao)(gao)）有(you)性價比高、安全環保、無毒無害(hai)等諸(zhu)多(duo)優勢(shi)，專(zhuan)家推薦3D打(da)(da)印(yin)技術還(huan)不是(shi)非常成熟的(de)時期盡(jin)量選擇石膏(gao)(gao)作為3D打(da)(da)印(yin)材料(liao)。
關鍵(jian)詞：硫(liu)酸鈣；石膏；材料；3D打印
1 3D打印機
也許我們(men)提到“3D打(da)印”覺得是個新鮮事(shi)，但(dan)事(shi)實上它已經有將(jiang)近20年的發展歷史了(le)。目前在(zai)汽(qi)車制造行(xing)業應用3D打(da)印日益(yi)廣泛，同時建筑、醫療、文(wen)化創意及(ji)文(wen)物修復等(deng)行(xing)業也已經開始引入(ru)3D打(da)印這一新技術(shu)。
恩里科·迪尼(ni)(ni)[1]（Enrico Dini）發明設計的(de)(de)一(yi)種神奇的(de)(de)打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)，它不(bu)(bu)僅(jin)可以(yi)(yi)“打(da)印(yin)(yin)”出一(yi)幢完(wan)整的(de)(de)建(jian)筑，甚(shen)至可以(yi)(yi)在(zai)航(hang)天飛(fei)船(chuan)中給宇航(hang)員打(da)印(yin)(yin)任何(he)所需物品的(de)(de)形狀，這(zhe)就是3D打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)（3D Printers）。普通(tong)打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)和3D打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)最(zui)大的(de)(de)差別(bie)就在(zai)于(yu)耗材(cai)(cai)不(bu)(bu)同，墨水和紙(zhi)張(zhang)是普通(tong)打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)的(de)(de)耗材(cai)(cai)，而3D打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)主要是由石膏粉(fen)末、樹(shu)脂或(huo)工程塑料(liao)組成的(de)(de)，常用(yong)材(cai)(cai)料(liao)還有金(jin)屬(shu)粉(fen)、陶瓷粉(fen)、尼(ni)(ni)龍玻纖、耐用(yong)性(xing)尼(ni)(ni)龍材(cai)(cai)料(liao)、鋁(lv)材(cai)(cai)料(liao)、鈦合金(jin)、不(bu)(bu)銹鋼、鍍(du)銀、鍍(du)金(jin)、橡膠類材(cai)(cai)料(liao)等，這(zhe)些成型材(cai)(cai)料(liao)都(dou)是經(jing)過特殊處(chu)理的(de)(de)，但是不(bu)(bu)同技(ji)術與材(cai)(cai)料(liao)各(ge)自的(de)(de)成型速(su)度(du)和模型強(qiang)度(du)以(yi)(yi)及分辨率、模型可測(ce)試(shi)性(xing)、細節精度(du)都(dou)有很大區別(bie)，用(yong)戶需按實際用(yong)途(tu)來選(xuan)擇。
2石膏簡介
石(shi)膏的化學(xue)本(ben)(ben)質(zhi)是(shi)硫(liu)酸鈣，通常所說(shuo)的石(shi)膏是(shi)指生石(shi)膏，化學(xue)本(ben)(ben)質(zhi)是(shi)二水硫(liu)酸鈣(CaSO4·2H2O)。當其(qi)再干(gan)燥條件(jian)下128℃是(shi)會(hui)(hui)失去部(bu)分結晶水變為(wei)β-半水石(shi)膏，其(qi)化學(xue)本(ben)(ben)質(zhi)是(shi)β-半水硫(liu)酸鈣(β-CaSO4·1/2H2O)，如果其(qi)在飽和蒸汽壓在時會(hui)(hui)失去部(bu)分結晶水變為(wei)α-半水石(shi)膏，其(qi)化學(xue)本(ben)(ben)質(zhi)是(shi)α-半水硫(liu)酸鈣(α-CaSO4·1/2H2O)，這兩個半水石(shi)膏化學(xue)式相同(tong)，結構不(bu)同(tong)。它們繼續脫去結晶水形成無水石(shi)膏，化學(xue)本(ben)(ben)質(zhi)是(shi)無水硫(liu)酸鈣(CaSO4)。
二水(shui)(shui)硫(liu)(liu)酸(suan)鈣和(he)無水(shui)(shui)硫(liu)(liu)酸(suan)鈣用(yong)途比較廣泛(fan)，在食品、農業、化工、涂料(liao)等(deng)多(duo)方面都用(yong)應用(yong)。半水(shui)(shui)硫(liu)(liu)酸(suan)鈣具有較好凝膠(jiao)性(xing)質遇水(shui)(shui)可固結形成一定強度的材料(liao)，其(qi)中β-半水(shui)(shui)硫(liu)(liu)酸(suan)鈣多(duo)用(yong)于建筑行業，α-半水(shui)(shui)硫(liu)(liu)酸(suan)鈣多(duo)用(yong)于模具制造等(deng)。
3石膏材料在3D打印材料中的優勢
據統(tong)計，目前已經研(yan)究出可以使用在3D打(da)印(yin)(yin)(yin)機上(shang)的材料(liao)約有(you)14種(zhong)，主要(yao)有(you)ABS塑料(liao)、PC工程(cheng)塑料(liao)，以及金(jin)屬粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)、木材、蠟、石(shi)膏粉(fen)(fen)(fen)等(deng)(deng)，在此(ci)基礎上(shang)又可混搭(da)出107種(zhong)，其中使用粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)微粒作為(wei)打(da)印(yin)(yin)(yin)介質(最(zui)常用的是石(shi)膏粉(fen)(fen)(fen))的3D打(da)印(yin)(yin)(yin)機，打(da)印(yin)(yin)(yin)的模型更精細一點。這些材料(liao)多為(wei)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)或(huo)者黏稠的液(ye)體，從價(jia)格(ge)上(shang)來看(kan)，一公斤從幾百元(yuan)到幾萬元(yuan)不等(deng)(deng)，而半水石(shi)膏粉(fen)(fen)(fen)市場價(jia)在幾元(yuan)一公斤，就價(jia)格(ge)而言優(you)勢明(ming)顯。[2]
按照(zhao)打(da)(da)(da)印材(cai)(cai)料(liao)分(fen)，常見(jian)3D打(da)(da)(da)印機(ji)可以分(fen)為硫酸鈣（石膏(gao)）材(cai)(cai)料(liao)打(da)(da)(da)印機(ji)、ABS材(cai)(cai)料(liao)打(da)(da)(da)印機(ji)、光敏樹脂材(cai)(cai)料(liao)打(da)(da)(da)印機(ji)等，不(bu)同的(de)材(cai)(cai)料(liao)在3D打(da)(da)(da)印時有著不(bu)同的(de)特點。
3.1硫酸鈣（石膏）材料的特點
……
3.2 ABS材料的特點
（1）由熱塑(su)(su)性塑(su)(su)料組成；
（2）模型細節表(biao)現中等(deng)；
（3）強(qiang)度高(gao)；
（4）打印時有一定氣味；
（5）熔點(dian)約為170攝氏(shi)度；
（6）模型表(biao)面：相對(dui)粗糙；
（7）適(shi)合(he)于產品的(de)功能(neng)驗(yan)證（Functional model）；
（8）打(da)印成型技(ji)術(shu)：融融沉積技(ji)術(shu)（Fused Deposition Modeling-FDM）。
3.3光敏樹脂材(cai)料特點
（1）由液態光聚合劑組成；
（2）價格相對高(gao)；
（3）模型細節表(biao)現能力強；
（4）模型(xing)表面：光滑；
（5）顏色：材料本身(shen)灰白(bai)色；
（6）典型應(ying)用：小(xiao)的、細節模(mo)型或雕像。
4石膏在3D打(da)印材料中的應用
4.1專(zhuan)家建議打印選擇石膏材料(liao)
在(zai)(zai)許多人的眼中，3D打印技(ji)術(shu)就是一個(ge)點石成金的魔法，在(zai)(zai)理(li)論上“無(wu)孔不入”的打印技(ji)術(shu)，近年(nian)來在(zai)(zai)全球持(chi)續升(sheng)溫、熱潮頻襲，3D打印技(ji)術(shu)也(ye)在(zai)(zai)不斷(duan)推陳出新(xin)。
有報(bao)道稱，如果用丙烯(xi)腈丁(ding)二烯(xi)苯(ben)乙烯(xi)（ABS）等樹(shu)脂(zhi)、塑料(liao)為(wei)材料(liao)進行3D打印的(de)話，會排放大量(liang)直徑通(tong)常不(bu)超過100納米的(de)超細粒子。如果人吸(xi)入這些粒子后，這些粒子可能(neng)就會沉積(ji)在(zai)肺部或直接被血液吸(xi)收，從而導致包(bao)括心肺死亡、中風和哮喘等疾(ji)病。[3]
目前3D打印機常用的(de)材(cai)料(liao)有石(shi)膏、無(wu)機粉料(liao)、光(guang)敏(min)樹(shu)脂、塑料(liao)等。其中塑料(liao)、樹(shu)脂等大(da)多(duo)難以(yi)降(jiang)解，打印材(cai)料(liao)本身就(jiu)具有潛在(zai)的(de)危害(hai)及毒(du)性(xing)，一(yi)旦大(da)規模(mo)運用恐怕(pa)會給人(ren)體帶來致癌等危險(xian)。所(suo)以(yi)，在(zai)選擇3D打印材(cai)料(liao)上，需要考慮其是(shi)否安全無(wu)毒(du)、是(shi)否環(huan)保、是(shi)否具有可持續性(xing)。[4]
還有專家(jia)建議(yi)，在3D打印(yin)技術還不(bu)是非(fei)常成(cheng)熟(shu)的時(shi)期(qi)，盡(jin)量選(xuan)擇石膏(gao)作為3D打印(yin)材料，石膏(gao)在現(xian)有的3D打印(yin)材料中是最安全(quan)和(he)環保的。
4.2石膏(gao)骨折病患福音
骨(gu)折事件本(ben)身并不(bu)(bu)是最悲慘(can)的，最糟糕的是骨(gu)折后將要(yao)采取的治療。骨(gu)折后一般會在骨(gu)折部位打石膏，人們的行(xing)動會十分不(bu)(bu)便。這種(zhong)保護架可針對每個病人進行(xing)個性化設計(ji)，并可依據受(shou)傷的嚴重程度設計(ji)。此外(wai)，這種(zhong)框架僅僅會保護受(shou)傷部位，其他部位則不(bu)(bu)需要(yao)被固定。
畢業于新(xin)西蘭(lan)維多利亞大學的(de)學生(sheng)利用三維打印機創建出(chu)一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)新(xin)型石(shi)膏(gao)，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)石(shi)膏(gao)重量較輕，且可進行彎(wan)曲。這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)保(bao)護架可針對每個(ge)病人進行個(ge)性化設計(ji)，并可依據(ju)受傷的(de)嚴重程度設計(ji)。此外，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)框(kuang)架僅僅會保(bao)護受傷部位，其他部位則不需要被固定。這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)新(xin)型石(shi)膏(gao)的(de)優(you)點在于其輕便(bian)耐用的(de)設計(ji)，且可以清洗，有助于皮膚“呼(hu)吸”。
4.3快速成型石膏人偶
克隆就是復制、拷貝和翻倍一個物品。武漢光谷商家引進3D色彩人像攝影新技術系統已經開始投入運行，該技術采用專業掃描儀，對人體進行快速立體掃描，在電腦上存儲數據，運用高強度復合石膏粉，經過3D打印機很快就可以“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(chun)度半(ban)水硫酸(suan)鈣(gai)，具有良好的生物相容性(xing)、生物可(ke)吸(xi)收性(xing)、骨(gu)傳(chuan)導性(xing)、快速(su)吸(xi)收特(te)性(xing)、易(yi)加工性(xing)和高機(ji)械性(xing)能等優點，憑借(jie)這(zhe)些優勢，最(zui)早(zao)應用在整形(xing)外科或齒(chi)科材(cai)料中。眾多研究結果均表(biao)明，硫酸(suan)鈣(gai)基材(cai)料可(ke)以用作骨(gu)修(xiu)(xiu)復(fu)材(cai)料，也是最(zui)早(zao)應用于組織修(xiu)(xiu)復(fu)的材(cai)料。[6]
3D打印衣服、鞋子、漢堡等已不是新鮮事了，據國外媒體報道，美國的一名患者成功接受一例具有開創性的手術，用3D打印頭骨替代75%的自身頭骨。[7]不僅如此，我(wo)們(men)還希望利(li)用3D打印為更多(duo)的(de)(de)患(huan)者修復其他部位的(de)(de)缺(que)失或(huo)者受損的(de)(de)骨(gu)骼。當(dang)然(ran)，在選擇打印材(cai)料的(de)(de)同時，我(wo)們(men)推薦選用純天(tian)然(ran)、安全環(huan)保、無毒無害的(de)(de)硫酸(suan)鈣(gai)（石膏）。
5展(zhan) 望
上(shang)(shang)世紀(ji)80年(nian)代，那時候打(da)印機又(you)吵(chao)又(you)糙，還(huan)只能打(da)單色，小小的(de)指(zhi)針搭在黑色的(de)墨帶上(shang)(shang)，比(bi)一臺自(zi)動電子(zi)打(da)字機強不(bu)了(le)(le)多(duo)少。但是(shi)今天，也就是(shi)一代之后，全(quan)彩、便宜又(you)安靜的(de)噴(pen)墨打(da)印機已經遍地都是(shi)了(le)(le)，打(da)出(chu)來的(de)分辨率同專業機構差不(bu)了(le)(le)多(duo)少。所以，放眼20年(nian)以后，也許(xu)那個時候，3D打(da)印機能打(da)出(chu)比(bi)如今最好玩(wan)具廠家生產出(chu)來的(de)更(geng)好玩(wan)具，甚至可以直(zhi)接將電子(zi)線(xian)路打(da)印到物(wu)體上(shang)(shang)去，加上(shang)(shang)電池就能直(zhi)接使用了(le)(le)。
3D打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)為了(le)適(shi)合不同行(xing)業的需(xu)求，提供“輕(qing)盈小巧”和“大尺寸”的多樣化選擇。已有多款小巧的3D打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)，并在不斷(duan)挑戰“輕(qing)盈小巧”極限，為未來進入家庭奠定基礎。而打(da)(da)印(yin)(yin)材料的發(fa)展也(ye)尤為重要，3D打(da)(da)印(yin)(yin)全(quan)靠有“米”下鍋，石(shi)膏作為性價(jia)比高的打(da)(da)印(yin)(yin)材料，取(qu)材廣(guang)泛，價(jia)廉宜得，毒副作用極小，隨著(zhu)人們(men)研究的深入，石(shi)膏在3D打(da)(da)印(yin)(yin)方面的應用將有更廣(guang)闊的發(fa)展前景。
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參考文(wen)獻
[1] 本刊(kan)編輯(ji)部.3D打印機(ji)[J].小天(tian)使(四年級(ji)語數英(ying)綜合),2013,(第11期).
[2] 3D打印全靠有米下鍋[J].科學24小時,2013,(第7期).
[3] 張皎(jiao)潔.武(wu)漢3D打印多(duo)用(yong)石(shi)膏[N].楚天金(jin)報，20130730，第23版(中國高科)
[4] 華凌.先(xian)別急著把(ba)3D打(da)印機搬回家[N].科技日報,2013-07-30(02)
[5] 石(shi)一. 3D打(da)印克隆自己[N].武漢(han)晨報,2013-05-06(7)
[6] 張永莉(li),霍書娟,高(gao)建平(ping),李秀蘭,張揚(yang).明膠(jiao)/硫(liu)酸(suan)鈣(gai)復合生(sheng)物材(cai)料(liao)[J].高(gao)分子材(cai)料(liao)科學與(yu)工程,2006,(第1期).
[7] 陳潔.3D打印一個(ge)時代的(de)開啟[J].高科技與產業化(hua),2013,(第4期).
版權聲明：
此文章已成功發表在《硅谷(gu)》雜志2014年6月刊，未以書面同意不得轉載，違者(zhe)必究！
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