تعمل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باعتبارها تقنية حديثة ناشئة على تغيير طريقة إنتاج البشر بشكل كبير. أدى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في مختلف الصناعات أيضًا إلى تطبيق وتطوير المزيد والمزيد مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد. في هذا المقال سنتحدث عن ماهي المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
يتوفر الآن أكثر من 200 مادة للطباعة ثلاثية الأبعاد ، وسيتم استخدام المزيد في المستقبل المنظور حيث يتم استخدام التكنولوجيا في عدد متزايد من الصناعات. من بين أكثر من 200 مادة مستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تعد المعادن والبوليمرات والسيراميك والمركبات والمواد الحيوية أكثر المواد شيوعًا المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. في هذه المقالة ، سنقدم لمحة موجزة عن الأنواع المختلفة من المواد والتطبيقات للطباعة ثلاثية الأبعاد.
المواد المعدنية
ينبع التطور السريع للمواد المعدنية في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد من الطلب على الفضاء ، والسيارات ، والإلكترونيات ، وما إلى ذلك. من بين العديد من المواد المعدنية ، تعد سبائك التيتانيوم هي الأكثر استخدامًا ، تليها سبائك الألومنيوم ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، سبائك عالية الحرارة، و سبائك عالية الانتروبيا.
سبائك التيتانيوم هي مادة ذات قوة عالية ، ومقاومة جيدة للتآكل ، ومقاومة عالية للحرارة ، وبالتالي فإن سبائك التيتانيوم تستخدم بشكل أساسي لصنع أجزاء مضغوطة لمحركات الطائرات ، تليها الأجزاء الهيكلية للصواريخ والصواريخ والطائرات عالية السرعة للتطبيق. أيضًا ، تُستخدم سبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد في دعامات التيتانيوم الطبية الحيوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد نظرًا لكثافتها المنخفضة وقوتها العالية وخفة وزنها. وأصبح استخدام سبائك التيتانيوم في التطبيقات الطبية الحيوية ناضجًا وواسع الانتشار.
يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومته الكيميائية ، ومقاومته لدرجات الحرارة العالية ، وخصائص ميكانيكية جيدة ، وغالبًا ما يستخدم كمواد طباعة ثلاثية الأبعاد للمجوهرات ، والمكونات الوظيفية ، والمنحوتات الصغيرة نظرًا لقدرته الجيدة على تشكيل المسحوق ، وعملية التحضير البسيطة ، والتكلفة المنخفضة. .
تُستخدم السبائك عالية الحرارة على نطاق واسع في الفضاء والمجالات الأخرى نظرًا لقوتها العالية في درجات الحرارة المرتفعة ومقاومتها للتآكل. تشمل الدرجات الشائعة الاستخدام من السبائك القائمة على النيكل للطباعة ثلاثية الأبعاد انكونيل 625, انكونيل 718، و انكونيل 939.
كما تستخدم المعادن الثمينة مثل المغنيسيوم وسبائك الألومنيوم والذهب والفضة على نطاق واسع في الطباعة ثلاثية الأبعاد.
المواد البوليمرية
لطالما كانت البوليمرات مادة شائعة للطباعة ثلاثية الأبعاد ، وتستخدم على نطاق واسع لقوتها العالية وأدائها وتكلفتها المنخفضة. حاليًا ، الأكثر شيوعًا هي ABS و PA وراتنج الأشعة فوق البنفسجية الحساسة للضوء.
مواد السيراميك
مسحوق سيراميك ألومينوسيليكات هو فئة من مواد مسحوق السيراميك للطباعة ثلاثية الأبعاد. إنه منيع للماء ، ومقاوم للحرارة ، وقابل لإعادة التدوير ، وبالتالي يستخدم على نطاق واسع في أدوات المائدة والأعمال الفنية والتطبيقات الأخرى.
المواد المركبة
تشتمل المواد المركبة بشكل أساسي على مركبات مصفوفة معدنية بالإضافة إلى مركبات مصفوفة غير معدنية. نظرًا للحرارة الممتازة والمقاومة الكيميائية للأجزاء المعقدة الشكل المطبوعة على مواد البوليمر المقوى ، فإنها تستخدم في الغالب في الفضاء والتطبيقات الأخرى.
هذه ليست سوى عدد قليل من مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة ، ولكن بالطبع ، هناك أيضًا فئة من مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الإلكترونية التي تسمح بطباعة السقالات البيولوجية والطباعة الخلوية.
من المتصور أنه إلى جانب الوفرة المتزايدة لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد والتطور السريع لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. سيتم استخدام مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد في المزيد والمزيد من المجالات وستتطور نحو خصائص ميكانيكية أفضل وأداء معالجة أعلى وتنويع أكبر.
Additional FAQs on 3D Printing Materials
1) What factors determine which 3D printing process to use for a material?
- Key drivers: melting/softening behavior, reactivity/oxidation, viscosity (for resins and pastes), required part properties, dimensional tolerances, and cost. For example, titanium fits laser powder bed fusion (LPBF) with inert gas, while ABS and PA suit FDM/SLS.
2) How do metal powder specifications impact print quality?
- Particle size distribution (typically D10–D90 ≈ 15–45 μm for LPBF), sphericity, low interstitials (O/N/H), and low contamination directly affect flowability, density, and mechanical properties. Reference: ISO/ASTM 52907 for feedstock.
3) Are biocompatible materials available for medical 3D printing?
- Yes. Titanium alloys (Ti‑6Al‑4V ELI), cobalt‑chromium, PEEK/PEKK, medical‑grade photopolymers, and bio‑inks (hydrogels with cells) are used for implants, guides, and tissue scaffolds, subject to ISO 10993 and FDA/CE pathways.
4) What’s the difference between thermoplastics used in FDM vs. SLS?
- FDM uses filament that melts and extrudes (e.g., PLA, ABS, PETG, PEI/ULTEM), while SLS fuses powder beds of PA12, PA11, TPU, and filled nylons. SLS typically yields better isotropy and complex geometries without supports.
5) Can composites be 3D printed to replace metals?
- In some cases. Carbon‑fiber or glass‑fiber reinforced PA/PEEK printed with continuous fibers can approach aluminum‑like stiffness/strength on a weight basis, suitable for jigs, fixtures, and some end‑use parts; temperature and impact limits still apply.
2025 Industry Trends in 3D Printing Materials
- Blue/green laser LPBF broadens copper/aluminum applications in e‑mobility and thermal management.
- Medical polymers mature: sterilizable high‑performance polymers (PEEK/PEKK, PPSU) gain validated print profiles and regulatory guidance.
- Sustainable materials: bio‑based nylons (PA11 from castor), recycled PETG/PA, and closed‑loop powder handling with material passports.
- Binder jetting scaling: steel and copper binder‑jet with refined sinter/HIP achieves 95–99% density for large, cost‑sensitive parts.
- High‑entropy and gradient alloys: research moves toward printable, compositionally graded metals for site‑specific properties.
| 2025 Metric (Material + Process) | Typical Range/Value | Why it matters | المصدر |
|---|---|---|---|
| LPBF powder PSD (most metals) | D10–D90 ≈ 15–45 μm | Stable recoating, low porosity | ISO/ASTM 52907 |
| Ti‑6Al‑4V ELI powder oxygen | ≤0.13 wt% | Fatigue/ductility in implants | ASTM F136/F3001 |
| SLS PA12 tensile strength | 45–55 MPa (XZ); 40–50 MPa (ZX) | Design allowables | OEM datasheets/ASM |
| FDM CF‑PA tensile modulus | 8–20 GPa (with continuous CF) | Metal replacement potential | Vendor tech notes |
| Binder‑jetted 17‑4PH density | 97–99% after sinter/HIP | Tooling/production parts | Vendor case studies |
| Copper LPBF conductivity | 80–95% IACS with green lasers | Thermal/electrical performance | Peer‑reviewed AM studies |
Authoritative references and further reading:
- ISO/ASTM 52907 (AM feedstock): https://www.iso.org
- ASTM F2924/F3001/F3055/F3184 (AM materials): https://www.astm.org
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov
- FDA guidance on additive manufacturing of medical devices: https://www.fda.gov
Latest Research Cases
Case Study 1: Green‑Laser LPBF of Pure Copper Heat Sinks for Power Electronics (2025)
Background: An inverter manufacturer needed compact, high‑conductivity heat sinks; IR lasers struggled with Cu reflectivity.
Solution: Adopted 515 nm green‑laser LPBF with high‑sphericity gas‑atomized Cu powder (15–45 μm), inert chamber with O2 < 100 ppm, and scan strategies to reduce spatter.
Results: 90–95% IACS conductivity, porosity <0.2%, 14% lower junction temperature vs. machined baseline; 30% recycled powder blend maintained specs over 6 cycles.
Case Study 2: SLS PA11‑CF Ducts for eVTOL Environmental Control Systems (2024)
Background: Aerial mobility OEM sought lightweight, chemical‑resistant ECS ducts with complex routing.
Solution: Printed bio‑based PA11 with chopped carbon fiber on SLS; post‑processed with vapor smoothing and QA via CT sampling.
Results: 22% mass reduction vs. aluminum tubes, impact strength improved 18% over PA12 baseline, passed DO‑160 chemical exposure tests.
Expert Opinions
- Prof. John Hart, Professor of Mechanical Engineering, MIT
Key viewpoint: “Linking in‑situ build data with powder passports will set the norm for serial qualification across metals and polymers.” - Dr. Laura Schmidt, Head of Additive Manufacturing, Fraunhofer IAPT
Key viewpoint: “Green and blue lasers are transforming copper and aluminum from niche to production materials in LPBF.” - Dr. Dieter Schirmacher, Materials Scientist, Medical AM Consultant
Key viewpoint: “Validated print parameters and sterilization pathways for PEEK/PEKK are accelerating adoption in load‑bearing implants.”
Citations for expert profiles:
- MIT: https://meche.mit.edu
- Fraunhofer IAPT: https://www.iapt.fraunhofer.de
Practical Tools and Resources
- Standards and safety
- ISO/ASTM 52907; ASTM F2924/F3001/F3055/F3184; ISO 10993 (biocompatibility); NFPA 484 (combustible metals)
- Powder and filament QC
- LECO O/N/H analyzers: https://www.leco.com
- Laser diffraction PSD, SEM morphology, moisture analyzers
- Filament roundness/diameter gauges for FDM
- Design and simulation
- Ansys Additive, Simufact Additive, Autodesk Netfabb; nTopology for lattices and conformal cooling
- Market and datasets
- Senvol Database (machines/materials): https://senvol.com/database
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov
Last updated: 2025-08-21
Changelog: Added 5 FAQs, a 2025 trends table with metrics and sources, two new case studies (copper LPBF and PA11‑CF SLS), expert viewpoints with citations, and practical tools/resources.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM standards update, major OEMs publish new copper/aluminum LPBF datasets, or medical AM material guidance changes.
