硫酸鈣(石膏)在3D打印材料中的應(yīng)用綜述

黃明杰+張杰

摘要文章主要對硫酸鈣（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)行了對比分析，也單獨例舉了硫酸鈣（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

中圖分類號：TB3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0085-02

13D打印機(jī)

也許我們提到“3D打印”覺得是個新鮮事，但事實上它已經(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會失去部分結(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，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。這些材料多為粉末或者黏稠的液體，從價格上來看，一公斤從幾百元到幾萬元不等，而半水石膏粉市場價在幾元一千克，就價格而言優(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打印時有著不同的特點。

3.1 硫酸鈣（石膏）材料的特點

石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料，由于石膏膠凝材料及其制品有許多優(yōu)良性質(zhì)，原料來源豐富，生產(chǎn)能耗低，因而被廣泛地應(yīng)用于土木建筑工程領(lǐng)域。

石膏的微膨脹性使得石膏制品表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性和加工性，是用來制作雕塑的絕佳材料。石膏材料相對其他諸多材料而言有著諸多優(yōu)勢。

1）精細(xì)的顆粒粉末，顆粒直徑易于調(diào)整。

2）價格相對低，性價比高。

3）安全環(huán)保，無毒無害。

4）模型表面：沙粒感、顆粒狀。

5）顏色：材料本身為白色，打印模型可實現(xiàn)彩色。

6）典型應(yīng)用：唯一支持全彩色打印的材料，建筑模型展示。

3.2 ABS材料的特點

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）打印時有一定氣味。

5）熔點約為170℃。

6）模型表面：相對粗糙。

7）適合于產(chǎn)品的功能驗證（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

1）由液態(tài)光聚合劑組成。

2）價格相對高。

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)就是一個點石成金的魔法，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)模運用恐怕會給人體帶來致癌等危險。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。骨折后一般會在骨折部位打石膏，人們的行動會十分不便。這種保護(hù)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)點在于其輕便耐用的設(shè)計，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)開始投入運行，該技術(shù)采用專業(yè)掃描儀，對人體進(jìn)行快速立體掃描，在電腦上存儲數(shù)據(jù)，運用高強(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，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，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

20世紀(jì)80年代，那時候打印機(jī)又吵又糙，還只能打單色，小小的指針搭在黑色的墨帶上，比一臺自動電子打字機(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，也許那個時候，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，石膏作為性價比高的打印材料，取材廣泛，價廉宜得，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。

參考文獻(xiàn)

[1]本刊編輯部.3D打印機(jī)[J].小天使（四年級語數(shù)英綜合），2013（11）.

[2]3D打印全靠有米下鍋[J].科學(xué)24小時，2013（7）.

[3]張皎潔.武漢3D打印多用石膏[N].楚天金報，2013-07-30，（23）.

[4]華凌.先別急著把3D打印機(jī)搬回家[N].科技日報，2013-07-30（02）.

[5]石一.3D打印克隆自己[N].武漢晨報，2013-05-06（7）.

[6]張永莉，霍書娟，高建平，李秀蘭，張揚.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（1）.

[7]陳潔.3D打印一個時代的開啟[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2013（4）.

endprint

摘要文章主要對硫酸鈣（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)行了對比分析，也單獨例舉了硫酸鈣（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

中圖分類號：TB3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0085-02

13D打印機(jī)

也許我們提到“3D打印”覺得是個新鮮事，但事實上它已經(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會失去部分結(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，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。這些材料多為粉末或者黏稠的液體，從價格上來看，一公斤從幾百元到幾萬元不等，而半水石膏粉市場價在幾元一千克，就價格而言優(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打印時有著不同的特點。

3.1 硫酸鈣（石膏）材料的特點

石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料，由于石膏膠凝材料及其制品有許多優(yōu)良性質(zhì)，原料來源豐富，生產(chǎn)能耗低，因而被廣泛地應(yīng)用于土木建筑工程領(lǐng)域。

石膏的微膨脹性使得石膏制品表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性和加工性，是用來制作雕塑的絕佳材料。石膏材料相對其他諸多材料而言有著諸多優(yōu)勢。

1）精細(xì)的顆粒粉末，顆粒直徑易于調(diào)整。

2）價格相對低，性價比高。

3）安全環(huán)保，無毒無害。

4）模型表面：沙粒感、顆粒狀。

5）顏色：材料本身為白色，打印模型可實現(xiàn)彩色。

6）典型應(yīng)用：唯一支持全彩色打印的材料，建筑模型展示。

3.2 ABS材料的特點

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）打印時有一定氣味。

5）熔點約為170℃。

6）模型表面：相對粗糙。

7）適合于產(chǎn)品的功能驗證（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

1）由液態(tài)光聚合劑組成。

2）價格相對高。

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)就是一個點石成金的魔法，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)模運用恐怕會給人體帶來致癌等危險。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。骨折后一般會在骨折部位打石膏，人們的行動會十分不便。這種保護(hù)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)點在于其輕便耐用的設(shè)計，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)開始投入運行，該技術(shù)采用專業(yè)掃描儀，對人體進(jìn)行快速立體掃描，在電腦上存儲數(shù)據(jù)，運用高強(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，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，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

20世紀(jì)80年代，那時候打印機(jī)又吵又糙，還只能打單色，小小的指針搭在黑色的墨帶上，比一臺自動電子打字機(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，也許那個時候，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，石膏作為性價比高的打印材料，取材廣泛，價廉宜得，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。

參考文獻(xiàn)

[1]本刊編輯部.3D打印機(jī)[J].小天使（四年級語數(shù)英綜合），2013（11）.

[2]3D打印全靠有米下鍋[J].科學(xué)24小時，2013（7）.

[3]張皎潔.武漢3D打印多用石膏[N].楚天金報，2013-07-30，（23）.

[4]華凌.先別急著把3D打印機(jī)搬回家[N].科技日報，2013-07-30（02）.

[5]石一.3D打印克隆自己[N].武漢晨報，2013-05-06（7）.

[6]張永莉，霍書娟，高建平，李秀蘭，張揚.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（1）.

[7]陳潔.3D打印一個時代的開啟[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2013（4）.

endprint

摘要文章主要對硫酸鈣（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)行了對比分析，也單獨例舉了硫酸鈣（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

中圖分類號：TB3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0085-02

13D打印機(jī)

也許我們提到“3D打印”覺得是個新鮮事，但事實上它已經(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會失去部分結(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，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。這些材料多為粉末或者黏稠的液體，從價格上來看，一公斤從幾百元到幾萬元不等，而半水石膏粉市場價在幾元一千克，就價格而言優(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打印時有著不同的特點。

3.1 硫酸鈣（石膏）材料的特點

石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料，由于石膏膠凝材料及其制品有許多優(yōu)良性質(zhì)，原料來源豐富，生產(chǎn)能耗低，因而被廣泛地應(yīng)用于土木建筑工程領(lǐng)域。

石膏的微膨脹性使得石膏制品表面光滑飽滿，顏色潔白，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的裝飾性和加工性，是用來制作雕塑的絕佳材料。石膏材料相對其他諸多材料而言有著諸多優(yōu)勢。

1）精細(xì)的顆粒粉末，顆粒直徑易于調(diào)整。

2）價格相對低，性價比高。

3）安全環(huán)保，無毒無害。

4）模型表面：沙粒感、顆粒狀。

5）顏色：材料本身為白色，打印模型可實現(xiàn)彩色。

6）典型應(yīng)用：唯一支持全彩色打印的材料，建筑模型展示。

3.2 ABS材料的特點

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）打印時有一定氣味。

5）熔點約為170℃。

6）模型表面：相對粗糙。

7）適合于產(chǎn)品的功能驗證（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

1）由液態(tài)光聚合劑組成。

2）價格相對高。

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)就是一個點石成金的魔法，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)模運用恐怕會給人體帶來致癌等危險。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。骨折后一般會在骨折部位打石膏，人們的行動會十分不便。這種保護(hù)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)架可針對每個病人進(jìn)行個性化設(shè)計，并可依據(jù)受傷的嚴(yán)重程度設(shè)計。此外，這種框架僅僅會保護(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)點在于其輕便耐用的設(shè)計，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)開始投入運行，該技術(shù)采用專業(yè)掃描儀，對人體進(jìn)行快速立體掃描，在電腦上存儲數(shù)據(jù)，運用高強(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，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，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

20世紀(jì)80年代，那時候打印機(jī)又吵又糙，還只能打單色，小小的指針搭在黑色的墨帶上，比一臺自動電子打字機(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，也許那個時候，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，石膏作為性價比高的打印材料，取材廣泛，價廉宜得，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。

參考文獻(xiàn)

[1]本刊編輯部.3D打印機(jī)[J].小天使（四年級語數(shù)英綜合），2013（11）.

[2]3D打印全靠有米下鍋[J].科學(xué)24小時，2013（7）.

[3]張皎潔.武漢3D打印多用石膏[N].楚天金報，2013-07-30，（23）.

[4]華凌.先別急著把3D打印機(jī)搬回家[N].科技日報，2013-07-30（02）.

[5]石一.3D打印克隆自己[N].武漢晨報，2013-05-06（7）.

[6]張永莉，霍書娟，高建平，李秀蘭，張揚.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（1）.

[7]陳潔.3D打印一個時代的開啟[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2013（4）.

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