一、空心玻璃微球介绍

空心玻璃微球（HGMs）是一种新型无机非金属球形粉体材料，接近理想粉体。其粒径范围在10～200μm之间，密度仅为0.1~0.7g/cm³，其球形结构赋予了它独特的滚轴效应，具有优异的玻璃化学稳定性、机械强度以及隔音、隔热等功能。

作为21世纪“空间时代材料”的关键基础工业材料，空心玻璃微球已成为国家战略新材料的重要组成部分，支撑着数百亿美元的后端产业，是复合材料的关键原料之一。

• 轻量化（汽车/高铁/飞行器）

• 隔热保温（建筑/工业涂料）

• 石油开采（钻井/完井）

• 信息产业（覆铜板/周边）

• 深海探测（浮力/海缆）

• 航空航天（复合材料）

• 信息产业（覆铜板/周边）

在制备技术方面，全球范围内高性能空心玻璃微球仅有两条技术路线：一是美国3M公司的固相粉末法，二是中国中科院理化所的软化学法，打破了美国在全球的垄断地位。

二、3D打印应用介绍

3D打印材料形态多样，主要包括液态光敏树脂材料、薄材、低熔点丝材和粉末材料。从成分上看，涵盖高分子材料（如塑料、树脂）、金属和合金材料、陶瓷材料和复合材料等。

其中，应用最普遍的是工程塑料，如ABS、PA、PC、PPFS、PEEK、EP、Endur材料等。在鞋材领域，应用于3D打印的材料包括TPU（主流）、TPAE和TPEE等。

空心玻璃微球可作为3D打印的各类工程塑料、复合材料的“最佳拍档”，主要有以下优势：

1. 降低材料密度比重，轻量化和降本作用。

2. 球形结构能够改善材料的加工流动性，生产速度更快。

3. 无机填料提供刚性，降低收缩率。

4. 化学性质稳定，具有优良的耐水性，耐酸碱。

5. 镀银的空心玻璃微球能提供良好的导电性，提供足够的屏蔽电磁干扰能力。

三、3D打印应用案例

1、ABS材料3D打印

ABS（丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料）具有较高的收缩率及内应力，会在打印过程中导致打印制品发生翘曲变形甚至开裂，并且ABS的耐热性不高，又限制了其在较高温度环境下使用。

添加空心玻璃微珠后，以硅烷偶联剂改性的H微珠为主要填料，用其降低ABS的密度并提高流动性能和热变形温度，同时也可改善ABS的其它性能，当微珠质量分数为8%时，ABS的拉伸强度及弯曲弹性模量均达到最大。

熔融沉积成型(FDM)是3D打印技术中比较重要的一种技术，其可将高分子材料丝材选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面，一层成型完成后，机器工作台下降一个高度再涂覆下一层，直至形成整个三维造型。

2、TPU鞋面3D打印

空心玻璃微珠作为微米尺寸填料加入TPU基体中，无机材料微珠和有机聚合物TPU之间会形成异相界面，这种异相界面可作为泡孔良好的成核点。

为了降低微珠与TPU间的相分离程度、提高微珠与TPU间的相界面结合力，需对微珠进行有机改性，从而提高两相界面结合的稳定性。

微孔注塑成型（MIM）工艺参数对 TPU微孔泡沫的力学性能及泡孔形态有很大影响，但仅依靠优化MIM 工艺参数来制备高质量高性能的 TPU 泡沫是远远不够的。为了进一步改善 TPU 泡沫的微孔结构、降低泡沫密度，需要对 TPU 进行材料改性。

3、尼龙PA6鞋材3D打印

基于PA6开发的材料，加入了10%空心玻璃微珠增强，具有高强度、抗冲击、轻量化等特点，密度为1.01g/cm³。

• 制件连续使用温度可达120℃，短期使用温度可达160℃；

• 表面电阻大于10^12Ω，可作为绝缘材料使用；

• 低收缩率，打印时不易翘边和开裂，打印物品表面哑光细腻。

该材料在进行3D打印时：

① 打印前需要进行烘干（70℃/＞12H）以达到最佳打印效果，打印时建议与eBOX料盒配套使用。
② 线条刚性较强，在送料管道中，应尽量避免线材过度弯折。
③ 建议使用硬化钢喷嘴或红宝石喷嘴，有条件可以选择硬化钢挤出机齿轮，如果打印时间长发生堵头需要更换喉管与喷嘴。
④ 建议设置裙边，以便更好从成型底板上取模型。
⑤ 打印时建议保温，在封闭箱体的打印机中打印，以获得更高的模型强度。

根据不同应用，中科海锐研发了不同牌号的空心玻璃微球应用于3D打印材料。

对于ABS材料和PA6尼龙鞋材，中科海锐建议空心玻璃微珠添加比例在3%-10%之间。对于TPU材料，空心玻璃微珠添加比例为5%-10%。

来源：中科海锐（厦门）科技研究院有限公司

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原文始发于微信公众号（艾邦弹性体网）：空心玻璃微珠在3D打印上的应用