تتيح لنا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، بتقنية التصنيع الفريدة الخاصة بها ، إنتاج أنواع غير مسبوقة من العناصر وتقليل التكاليف وتقصير ساعات العمل وإزالة العمليات المعقدة للشركات. تكمن الميزة الحقيقية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مواد الطباعة الخاصة بها ، والتي يمكنها تقليد الخصائص الميكانيكية أو الحرارية للمواد البلاستيكية والمعدنية ، ومع ذلك ، يعد هذا أيضًا سببًا تقنيًا رئيسيًا يقيد حاليًا تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد.
نظرًا لأن تقنية تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد قد غيرت تمامًا صناعة ومبادئ التصنيع التقليدية ، فقد أصبحت بمثابة تخريب لنموذج التصنيع التقليدي ، وبالتالي ، أصبحت مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد العقبة الرئيسية التي تحد من تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكنها أيضًا النقطة الرئيسية وصعوبة الطباعة ثلاثية الأبعاد ابتكار مذهل ، فقط لتنفيذ المزيد من تطوير المواد الجديدة لتوسيع مجالات تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. في الوقت الحاضر ، تشتمل مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي على مواد البوليمر والمواد المعدنية ومواد السيراميك والمواد المركبة ، إلخ.
تنقسم مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي إلى أربعة أنواع من المواد: بوليمرات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، المواد المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد ، مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الخزفية ، المواد المركبة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
تعد مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد أساسًا ماديًا مهمًا لتطوير تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وإلى حد ما ، يحدد تطوير المواد ما إذا كان يمكن أن يكون للطباعة ثلاثية الأبعاد تطبيق أوسع. في الوقت الحاضر ، تشتمل مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي على اللدائن الهندسية ، والراتنجات الحساسة للضوء ، والمواد الشبيهة بالمطاط ، والمواد المعدنية ، والمواد الخزفية ، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مواد الجص الملون ، ومسحوق العظام الاصطناعي ، والمواد البيولوجية الخلوية والمواد الغذائية مثل السكر المحبب هي أيضًا تستخدم في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تنقسم المواد البوليمرية بشكل أساسي إلى اللدائن الهندسية ، واللدائن الحيوية ، والمواد الحرارية ، والراتنجات الحساسة للضوء ، والمواد الهلامية البوليمرية ، إلخ.
تشتمل المواد المعدنية بشكل أساسي على معادن حديدية وغير حديدية.
يشير السيراميك والمركبات بشكل أساسي إلى مواد ومركبات السيراميك.
على الرغم من أن معظم المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد عبارة عن بلاستيك ، فإن المواد المعدنية لها أيضًا استخدامات فريدة. بعد ذلك سنناقش العديد من المواد المعدنية الشائعة الاستخدام للطباعة ثلاثية الأبعاد.
المعدن له خصائص ميكانيكية جيدة والتوصيل الكهربائي. تشمل المواد الحديدية بشكل أساسي الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك درجات الحرارة العالية.
الفولاذ المقاوم للصدأ هو اختصار للفولاذ المقاوم للصدأ المقاوم للأحماض ، ومقاوم للهواء والبخار والماء وغيرها من الوسائط الضعيفة للتآكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يسمى الفولاذ المقاوم للصدأ ؛ وستكون مقاومة للوسائط الكيميائية المسببة للتآكل (الحمضية والقلوية والملح وغسل المواد الكيميائية الأخرى) تآكل الفولاذ المسمى بالفولاذ المقاوم للأحماض. نظرًا للاختلافات في التركيب الكيميائي للاثنين ومقاومتهما للتآكل مختلفة ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ العادي عمومًا لا يقاوم تآكل الوسائط الكيميائية ، في حين أن الفولاذ المقاوم للأحماض يكون بشكل عام غير قابل للصدأ.
الفولاذ المقاوم للصدأ هو أرخص مادة طباعة معدنية ، وسطح منتجات الفولاذ المقاوم للصدأ عالية القوة التي تنتجها الطباعة ثلاثية الأبعاد خشن بعض الشيء وله علامات. يأتي الفولاذ المقاوم للصدأ في مجموعة متنوعة من الأسطح اللامعة والمصقولة وغالبًا ما يستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمجوهرات والمكونات الوظيفية والمنحوتات الصغيرة.
تتمتع سبائك درجات الحرارة المرتفعة بقوة ممتازة في درجات الحرارة العالية ، ومقاومة جيدة للأكسدة ومقاومة للتآكل الحراري ، وخصائص إجهاد جيدة ، وصلابة للكسر وخصائص شاملة أخرى.
أصبحت السبائك عالية الحرارة مادة الطباعة ثلاثية الأبعاد الرئيسية لتطبيقات صناعة الطيران نظرًا لقوتها العالية واستقرارها الكيميائي وصعوبة التشكيل والمعالجة والتكلفة العالية لعمليات المعالجة التقليدية. من خلال البحث طويل الأمد والتطوير الإضافي لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تم استخدام أجزاء الطائرات المصنعة بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع نظرًا لساعات العمل في المعالجة ومزايا التكلفة.
المعادن غير الحديدية بما في ذلك سبائك التيتانيوم والألومنيوم والمغنيسيوم والغاليوم والمعادن الثمينة النادرة.
التيتانيوم ، الذي يشبه الفولاذ وله ترجمة فضية رمادية فاتحة ، هو معدن انتقالي يُعتقد أنه معدن نادر لبعض الوقت. التيتانيوم ليس معدنًا نادرًا ، فهو يمثل حوالي 0.421 طنًا واحدًا من الوزن الإجمالي في قشرة الأرض ، أي 16 مرة أكثر من إجمالي النحاس والنيكل والرصاص والزنك. تحتل المرتبة السابعة في عالم المعادن ، وهناك أكثر من 70 معدنًا تحتوي على التيتانيوم. التيتانيوم لديه قوة عالية ، كثافة منخفضة ، صلابة عالية ، نقطة انصهار عالية ومقاومة عالية للتآكل ؛ يتميز التيتانيوم عالي النقاء بمرونة جيدة ، ولكنه يصبح هشًا وصعبًا عند وجود الشوائب.
تتميز أجزاء التيتانيوم المصنوعة باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بأنها قوية جدًا ودقيقة في الحجم ، وقادرة على إنتاج أصغر حجم يصل إلى 1 مم ، والخصائص الميكانيكية لأجزائها أفضل من عملية الحدادة. نجحت شركة Metalysis التي تتخذ من المملكة المتحدة مقراً لها في طباعة قطع غيار السيارات مثل الدفاعات والشواحن التوربينية باستخدام مساحيق معدن التيتانيوم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المواد الاستهلاكية لمسحوق معدن التيتانيوم في صناعة السيارات والطيران والدفاع ثلاثية الأبعاد سيكون لها آفاق تطبيق واسعة للغاية.
نظرًا لأدائها المتفوق من الوزن الخفيف والقوة العالية ، فقد تم استخدام سبائك المغنيسيوم والألمنيوم في عدد كبير من التطبيقات في احتياجات الوزن الخفيف للصناعة التحويلية ، وهي ليست استثناءً في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث تعد بديلاً المواد المفضلة من قبل الشركات المصنعة الكبرى.
أصبحت المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات تأثير متزايد في عالم الموضة. يستفيد مصممو المجوهرات في جميع أنحاء العالم إلى أقصى حد من تقنية النماذج الأولية السريعة للطباعة ثلاثية الأبعاد كبديل قوي ومناسب لأساليب التصنيع الأخرى للصناعة الإبداعية. في مجال مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد للمجوهرات ، يشيع استخدام الذهب والفضة الإسترليني والنحاس وما إلى ذلك.
ما ورد أعلاه يتعلق بمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد. توفر Shanghai Truer مجموعة واسعة من مسحوق سبائك التيتانيوم والتيتانيوم عالية الجودة ، ومسحوق السبائك ذات درجة الحرارة العالية ، ومسحوق السبائك المقاومة للحرارة ، ومسحوق السبائك المحتوية على الحديد ، ومسحوق السبائك عالية الإنتروبيا.
Additional FAQs: Classification of 4 Common Materials Used in 3D Printing
1) What are the four primary classes of 3D printing materials and their typical processes?
- Polymers (FDM/FFF, SLA/DLP, SLS), metals (LPBF/SLM, EBM, DED, MIM), ceramics (stereolithography slurries, binder jetting + sinter, robocasting), and composites (short/continuous fiber FFF, SLS-filled, photocomposites).
2) How should I choose between polymer vs. metal for functional parts?
- Start from the use case: polymers for moderate strength, chemical resistance, and cost efficiency; metals for high temperature, structural loads, and fatigue. Consider certification needs (aerospace/medical) and total cost including post-processing.
3) What role do particle size and morphology play for metal and ceramic powders?
- Spherical, narrow PSD powders improve flowability, packing, and density in powder-bed processes. Irregular particles can boost green strength in binder systems but may reduce flow and cause surface roughness.
4) Are composites just “filled plastics,” or can they match metal performance?
- Fiber-reinforced composites (e.g., CF-PEEK, CF-nylon, continuous carbon fiber) can rival aluminum in stiffness-to-weight for specific designs. However, temperature limits and through-thickness strength still trail most metals.
5) What safety considerations differ across the four classes?
- Polymers: VOCs/particulates from thermoplastics and resins (use enclosures and filtration). Metals: fine powders are reactive—use grounding, inert handling, and PPE. Ceramics: respirable silica/oxide dust control. Composites: fiber dust and resin handling; observe MSDS/SDS for each material.
2025 Industry Trends: Material Classification Focus
- Metals: Surge in aluminum and copper alloy qualifications for EV thermal components; broader availability of beta-titanium and high-γ′ Ni superalloys.
- Polymers: Growth of ESD-safe, flame-retardant UL 94 V-0 grades for factory tooling; bio-based and recycled filament share rises.
- Ceramics: Increased adoption of alumina and zirconia for dental and semiconductor fixtures with automated debind/sinter workflows.
- Composites: Wider use of continuous fiber for lightweight jigs and end-of-arm tooling; better interlayer adhesion with plasma-assisted FFF.
2025 Material Snapshot by Class (Indicative, global)
| Class | Representative Grades (2025) | Common Processes | Typical Part Strength/Temp | Cost Range (Material Only) |
|---|---|---|---|---|
| البوليمرات | PA12, PA11, PETG, ABS, PC, PEEK, PEKK, ESD/FR blends | FDM/FFF, SLS, SLA/DLP | 40–100 MPa tensile; up to 250–300°C (PEEK/PEKK) | $20–$350/kg |
| المعادن | 316L, 17-4PH, Ti-6Al-4V, IN718, AlSi10Mg, CuCrZr | LPBF/SLM, EBM, DED, Binder Jet + Sinter | 400–1300 MPa tensile; 200–700°C service | $60–$300/kg (pre-alloyed powders) |
| السيراميك | Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC (R&D) | SLA-slurry, Binder Jet + Sinter, Robocasting | High hardness; >1000°C | $80–$500/kg (slurries/powders) |
| المركبات | CF/GF-PA, CF-PEEK, filled-PA12, photocomposites | FFF (short/continuous fiber), SLS, SLA | Up to 150–300 MPa (directional); 120–250°C | $50–$600/kg |
Additional indicators:
- Qualified AM metal alloys grew from ~35 (2022) to ~60+ (2025), led by aluminum, copper, and beta-Ti.
- Recycled polymer feedstock share in FFF/SLS surpasses 15% in 2025 for tooling and consumer goods.
- Dental zirconia AM volumes up ~18% YoY due to automated CAM-to-sinter pipelines.
Sources:
- ASTM/ISO AM standards catalogs: https://www.astm.org and https://www.iso.org
- Wohlers/ContextAM market briefs (industry reports)
- FDA/EMA guidance for medical AM materials: https://www.fda.gov and https://www.ema.europa.eu
- NIST AM Bench and materials datasets: https://www.nist.gov/ambench
Latest Research Cases
Case Study 1: CF-PEEK Composite Brackets for Aerospace Interiors (2025)
Background: An aerospace tier-1 sought metal replacement for cabin brackets to reduce weight while meeting flammability and strength specs.
Solution: Printed continuous carbon fiber reinforced PEEK using heated-chamber FFF; optimized layup with topology optimization; applied plasma surface treatment for bonding.
Results: 42% weight reduction vs. machined aluminum, maintained factor of safety >1.5, passed FAR 25.853 flammability; cost down 18% at 200-unit batches.
Case Study 2: Binder Jetting of 316L with Recycled Powder Fraction (2024)
Background: An industrial OEM aimed to lower powder costs and waste in stainless steel production parts.
Solution: Introduced 20% recycled -20/+45 µm fraction blended with virgin powder; tuned debind and sinter curves and applied post-HIP for critical parts.
Results: Achieved 98.5–99.3% relative density, yield strength within 3% of all-virgin baseline, material cost reduced 14%, no increase in dimensional nonconformance over 1,200 parts.
Expert Opinions
- Dr. Karla J. Boehm, Materials Scientist, NIST
- Viewpoint: “Powder morphology and oxygen/nitrogen control are now as decisive as alloy choice for metal AM, particularly when comparing classifications across polymers, metals, and ceramics.”
- Prof. Filippo Berto, Chair of Fracture Mechanics, Norwegian University of Science and Technology (NTNU)
- Viewpoint: “For composite AM, interlaminar fracture and load-path design dominate; continuous fiber steering unlocks metal-like stiffness-to-weight in targeted regions.”
- Sarah Goehrke, AM Industry Analyst
- Viewpoint: “In 2025, buyers are classifying materials not only by base chemistry but by certification pathway—UL, FDA, aerospace AMS—because qualification cost defines ROI as much as raw material price.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52900 and 52907: AM fundamentals and metal powder feedstock specs. https://www.iso.org
- ASTM F42 and D20 committees: Standards for polymers, metals, and composites in AM. https://www.astm.org
- MPIF design guides for metal powders and sintering. https://www.mpif.org
- OSHA/NIOSH guidance for polymer, metal, and ceramic powder safety. https://www.osha.gov and https://www.cdc.gov/niosh
- MatWeb materials database for datasheets across the four classes. https://www.matweb.com
- Senvol Database for AM materials and machine-process compatibility. https://senvol.com
- NIST AM-Bench measurement science resources and datasets. https://www.nist.gov/ambench
- UL 94 and FAR 25.853 references for flame and smoke toxicity for polymer/composite applications. https://www.ul.com
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 FAQs tailored to the four material classes; inserted 2025 trend table and indicators; provided two recent case studies; included expert opinions; compiled practical tools/resources with authoritative links
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if major AM materials standards (ASTM/ISO) update, new FDA/UL certifications impact classifications, or market data shows >10% shift in alloy/polymer adoption mix
