硫酸钙(石膏)在3D打印材料中的应用综述

（荆门市磊鑫石膏制品有限公司   湖北荆门 448000）

摘  要：本文主要对硫酸钙（石膏）、ABS树脂和光敏树脂这三种常见的3D打印材料的优劣势进行了对比分析，也单独例举了硫酸钙（石膏）在3D打印材料中的应用现状。由于硫酸钙（石膏）有性价比高、安全环保、无毒无害等诸多优势，专家推荐3D打印技术还不是非常成熟的时期尽量选择石膏作为3D打印材料。

关键词：硫酸钙；石膏；材料；3D打印

1 3D打印机

    也许我们提到“3D打印”觉得是个新鲜事，但事实上它已经有将近20年的发展历史了。目前在汽车制造行业应用3D打印日益广泛，同时建筑、医疗、文化创意及文物修复等行业也已经开始引入3D打印这一新技术。

    恩里科·迪尼[1]（Enrico Dini）发明设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需物品的形状，这就是3D打印机（3D Printers）。普通打印机和3D打印机最大的差别就在于耗材不同，墨水和纸张是普通打印机的耗材，而3D打印机主要是由石膏粉末、树脂或工程塑料组成的，常用材料还有金属粉、陶瓷粉、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等，这些成型材料都是经过特殊处理的，但是不同技术与材料各自的成型速度和模型强度以及分辨率、模型可测试性、细节精度都有很大区别，用户需按实际用途来选择。

2石膏简介

    石膏的化学本质是硫酸钙，通常所说的石膏是指生石膏，化学本质是二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。当其再干燥条件下128℃是会失去部分结晶水变为β-半水石膏，其化学本质是β-半水硫酸钙(β-CaSO4·1/2H2O)，如果其在饱和蒸汽压在时会失去部分结晶水变为α-半水石膏，其化学本质是α-半水硫酸钙(α-CaSO4·1/2H2O)，这两个半水石膏化学式相同，结构不同。它们继续脱去结晶水形成无水石膏，化学本质是无水硫酸钙(CaSO4)。

    二水硫酸钙和无水硫酸钙用途比较广泛，在食品、农业、化工、涂料等多方面都用应用。半水硫酸钙具有较好凝胶性质遇水可固结形成一定强度的材料，其中β-半水硫酸钙多用于建筑行业，α-半水硫酸钙多用于模具制造等。

3石膏材料在3D打印材料中的优势

    据统计，目前已经研究出可以使用在3D打印机上的材料约有14种，主要有ABS塑料、PC工程塑料，以及金属粉末、木材、蜡、石膏粉等，在此基础上又可混搭出107种，其中使用粉末微粒作为打印介质(最常用的是石膏粉)的3D打印机，打印的模型更精细一点。这些材料多为粉末或者黏稠的液体，从价格上来看，一公斤从几百元到几万元不等，而半水石膏粉市场价在几元一公斤，就价格而言优势明显。[2]

    按照打印材料分，常见3D打印机可以分为硫酸钙（石膏）材料打印机、ABS材料打印机、光敏树脂材料打印机等，不同的材料在3D打印时有着不同的特点。

3.1硫酸钙（石膏）材料的特点

……

3.2 ABS材料的特点

    （1）由热塑性塑料组成；

    （2）模型细节表现中等；

    （3）强度高；

    （4）打印时有一定气味；

    （5）熔点约为170摄氏度；

    （6）模型表面：相对粗糙；

    （7）适合于产品的功能验证（Functional model）；

    （8）打印成型技术：融融沉积技术（Fused Deposition Modeling-FDM）。

3.3光敏树脂材料特点

    （1）由液态光聚合剂组成；

    （2）价格相对高；

    （3）模型细节表现能力强；

    （4）模型表面：光滑；

    （5）颜色：材料本身灰白色；

    （6）典型应用：小的、细节模型或雕像。

4石膏在3D打印材料中的应用

4.1专家建议打印选择石膏材料

    在许多人的眼中，3D打印技术就是一个点石成金的魔法，在理论上“无孔不入”的打印技术，近年来在全球持续升温、热潮频袭，3D打印技术也在不断推陈出新。

    有报道称，如果用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等树脂、塑料为材料进行3D打印的话，会排放大量直径通常不超过100纳米的超细粒子。如果人吸入这些粒子后，这些粒子可能就会沉积在肺部或直接被血液吸收，从而导致包括心肺死亡、中风和哮喘等疾病。[3]

    目前3D打印机常用的材料有石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。其中塑料、树脂等大多难以降解，打印材料本身就具有潜在的危害及毒性，一旦大规模运用恐怕会给人体带来致癌等危险。所以，在选择3D打印材料上，需要考虑其是否安全无毒、是否环保、是否具有可持续性。[4]

还有专家建议，在3D打印技术还不是非常成熟的时期，尽量选择石膏作为3D打印材料，石膏在现有的3D打印材料中是最安全和环保的。

4.2石膏骨折病患福音

    骨折事件本身并不是最悲惨的，最糟糕的是骨折后将要采取的治疗。骨折后一般会在骨折部位打石膏，人们的行动会十分不便。这种保护架可针对每个病人进行个性化设计，并可依据受伤的严重程度设计。此外，这种框架仅仅会保护受伤部位，其他部位则不需要被固定。

    毕业于新西兰维多利亚大学的学生利用三维打印机创建出一种新型石膏，这种石膏重量较轻，且可进行弯曲。这种保护架可针对每个病人进行个性化设计，并可依据受伤的严重程度设计。此外，这种框架仅仅会保护受伤部位，其他部位则不需要被固定。这种新型石膏的优点在于其轻便耐用的设计，且可以清洗，有助于皮肤“呼吸”。

4.3快速成型石膏人偶

    克隆就是复制、拷贝和翻倍一个物品。武汉光谷商家引进3D色彩人像摄影新技术系统已经开始投入运行，该技术采用专业扫描仪，对人体进行快速立体扫描，在电脑上存储数据，运用高强度复合石膏粉，经过3D打印机很快就可以“打”出15至30厘米不等的“人偶”。^[5]

4.4骨骼打印

    张永莉一文中提到的高纯度半水硫酸钙，具有良好的生物相容性、生物可吸收性、骨传导性、快速吸收特性、易加工性和高机械性能等优点，凭借这些优势，最早应用在整形外科或齿科材料中。众多研究结果均表明，硫酸钙基材料可以用作骨修复材料，也是最早应用于组织修复的材料。[6]

    3D打印衣服、鞋子、汉堡等已不是新鲜事了，据国外媒体报道，美国的一名患者成功接受一例具有开创性的手术，用3D打印头骨替代75%的自身头骨。^[7]不仅如此，我们还希望利用3D打印为更多的患者修复其他部位的缺失或者受损的骨骼。当然，在选择打印材料的同时，我们推荐选用纯天然、安全环保、无毒无害的硫酸钙（石膏）。

5展  望

    上世纪80年代，那时候打印机又吵又糙，还只能打单色，小小的指针搭在黑色的墨带上，比一台自动电子打字机强不了多少。但是今天，也就是一代之后，全彩、便宜又安静的喷墨打印机已经遍地都是了，打出来的分辨率同专业机构差不了多少。所以，放眼20年以后，也许那个时候，3D打印机能打出比如今最好玩具厂家生产出来的更好玩具，甚至可以直接将电子线路打印到物体上去，加上电池就能直接使用了。

    3D打印机为了适合不同行业的需求，提供“轻盈小巧”和“大尺寸”的多样化选择。已有多款小巧的3D打印机，并在不断挑战“轻盈小巧”极限，为未来进入家庭奠定基础。而打印材料的发展也尤为重要，3D打印全靠有“米”下锅，石膏作为性价比高的打印材料，取材广泛，价廉宜得，毒副作用极小，随着人们研究的深入，石膏在3D打印方面的应用将有更广阔的发展前景。

（文中省略部分内容，更多技术支持详细资料请联系我公司，谢谢！）

参考文献

[1] 本刊编辑部.3D打印机[J].小天使(四年级语数英综合),2013,(第11期).

[2] 3D打印全靠有米下锅[J].科学24小时,2013,(第7期).

[3] 张皎洁.武汉3D打印多用石膏[N].楚天金报，20130730，第23版(中国高科)

[4] 华凌.先别急着把3D打印机搬回家[N].科技日报,2013-07-30(02)

[5] 石一. 3D打印克隆自己[N].武汉晨报,2013-05-06(7)

[6] 张永莉,霍书娟,高建平,李秀兰,张扬.明胶/硫酸钙复合生物材料[J].高分子材料科学与工程,2006,(第1期).

[7] 陈洁.3D打印一个时代的开启[J].高科技与产业化,2013,(第4期).

版权声明：
此文章已成功发表在《硅谷》杂志2014年6月刊，未以书面同意不得转载，违者必究！

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