魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（三）：了解基本的材料

魔猴君  知識堂   533天前

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（一）：為什么要使用數(shù)字化制造？

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（二）：增材制造和減材制造的比較

這一章，魔猴網(wǎng)將和大家一起

1.了解熱塑性塑料、熱固性塑料和光敏聚合物（光敏樹脂）

2.了解塑料和類塑料材料

3.了解硬金屬和軟金屬材料

4.選擇合適的工藝

數(shù)字化制造技術(shù)包含可以加工多種材料的不同工藝。 為了選擇最合適的材料來生產(chǎn)您的零件，您需要了解哪些材料可用于哪些工藝以及這些材料的一些特性。 本章魔猴網(wǎng)著眼于基本的幾種不同的材料類別，不僅可以幫助您了解有哪些可能的材料選項，還可以幫助您了解哪些材料是最適合您的需求。

了解熱塑性塑料、熱固性塑料和光敏聚合物（光敏樹脂）

在 1967年的美國電影《畢業(yè)生》中，達斯汀·霍夫曼飾演的男主被告知塑料是一個很有前途的行業(yè)。 男主是否認同這個看法我們無從得知，但五十多年過去了，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道制造行業(yè)肯定是認同了此看法，現(xiàn)在塑料在制造業(yè)被廣泛使用，包括多種類型的塑料及類塑料，覆蓋了幾乎所有的工業(yè)類別，而且已經(jīng)變?yōu)槲覀兊纳钪胁豢煞指畹囊徊糠帧?/span>

對于新手外行來說，塑料有很多不同類型，到底不同塑料之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？這種困惑通常是因為以下幾個原因：

? 對材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系沒有概念。

? 產(chǎn)品材料的性能通常沒有被足夠的重視，沒有被分配足夠的時間和精力。

? 即使克服了上述兩個障礙，也很難找到準確的材料屬性數(shù)據(jù)。

為您的產(chǎn)品選擇合適的材料會涉及到將各種來源的數(shù)據(jù)，每個來源的數(shù)據(jù)有可能不完整，有重疊有沖突，您需要把這些各不完整，甚至相互毛肚的材料性能數(shù)據(jù)整合在一起。 對一種材料，最主要應(yīng)該看它的材料數(shù)據(jù)表（MDS，Material Data Sheet），一個中肯的建議是您應(yīng)該盡可能從該表中獲取盡可能多的信息。 有時也可以從各個材料供應(yīng)商發(fā)布的設(shè)計手冊和應(yīng)用說明中獲得更詳細的信息，用來可以填補材料數(shù)據(jù)表中的空白。 完整詳盡的材料信息一般是高性能工程和特種材料才會有（為顯示性能的優(yōu)越性），而常見的一些商品材料可能會有信息缺失。 如果您真的需要了解一個材料，你除了查找資料之外，可能還需要做一些試驗和測試工作。

熱塑性塑料

熱塑性塑料是一種在一定溫度以上變軟，變得可模塑，然后在冷卻時固化，并且這一過程往返重復，所以熱塑性塑料通常用于注塑成型，也一般都可以再次回收利用。

熱塑性塑料在加熱時發(fā)生的情況用專業(yè)術(shù)語講就是是相變。 材料經(jīng)歷相變的一個非常常見的例子是水在零度以下會變成冰，冰在零度以上會變?yōu)樗?/span> 低于這個相變溫度，材料是固態(tài)，高于這個溫度，材料是液態(tài)。

一些常見的熱塑性塑料

?乙縮醛 Acetal，也稱為 Delrin

? 亞克力(Acrylic,PMMA,Polymethyl methacrylate）

? 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS，Acrylonitrile butadiene styrene)

? 尼龍 Nylon (PA,Polyamide)

? 聚碳酸酯 (PC Polycarbonate )

? 聚乙烯 (PE Polyethylene )

? 聚乳酸 (PLA, Polylactic acid )

? 聚丙烯 (PP, Polypropylene )

? 聚苯乙烯 (PS,Polystyrene )

? 聚四氟乙烯 (PTE,Polytetrafluoroethylene)，也稱為 Teflon

? 聚氯乙烯 (PVC,Polyvinyl chloride )

熱固性塑料

熱固性這個名稱可能看起來有點令人困惑，尤其是與熱塑性塑料相比（參見上一節(jié)）。 熱固性材料是一種不可逆固化的材料，而不是加熱可以重新軟化的材料。 記住這兩種塑料區(qū)別最簡單方法可能是，熱塑性塑料加熱可逆，而熱固性塑料則是永久變形。

熱固性材料根據(jù)材料的成分不同，可以通過化學反應(yīng)固化或輻射固化。 液態(tài)硅膠是一種常見得可模塑的熱固性材料。

熱固性材料通常比熱塑性材料更強固，也可以用于各種成型工藝。

常見的熱固性塑料有：

?電木

? 環(huán)氧樹脂

? 三聚氰胺

? 聚氨酯（也存在于熱塑性塑料中，但較少見）

? RTV 硅膠

? 硅橡膠

光敏聚合物

光敏聚合物是一種塑料，液態(tài)未固化前多稱為光敏樹脂，光敏樹脂在光照時會改變其特性，發(fā)生固化反應(yīng)。 這些塑料通常使用紫外線固化，并且固化速度非?？臁?/span> 光敏樹脂通常用于3D 打印及類似工藝（如UV打印等）。光敏聚合物往往比其他類型的塑料更脆，并且在暴露于陽光或高濕度時通常不穩(wěn)定。與熱固性材料一樣，光敏聚合物也經(jīng)歷了一個不可逆的固化過程，一旦固化就不能再軟化。 當用于3D打印等工藝時，光敏樹脂會逐層固化。 通常通過一個UV 激光頭在樹脂上繪制（和固化）一層零件，然后將工作臺下降一層的高度， 然后再繪制下一層并固化，該過程不斷進行，直到整個零件形成。

光敏樹脂是數(shù)字制造中的重要的原材料之一，人們開發(fā)了很多光敏樹脂用來制作具有一定特性的光聚合物。

比較塑料和類塑料

從技術(shù)角度來看，并非所有看似塑料的東西就都是塑料。 熱固性塑料和光敏聚合物的性能行為與真正的“塑料”不同，雖然對普通人來說分不清楚很正常。但如果您想成為一個專家，又或者只是有興趣稍微多了解一些，比較塑料和類似塑料還是很有趣的。

立體光刻（一種常用的增材制造工藝，可以簡稱為 SLA）原材料是光敏樹脂而不是熱塑性塑料，因此在一些關(guān)鍵特性上是不同于普通的工程級樹脂。 盡管如此，這些類塑料對設(shè)計師和工程師來說仍然非常有用，只要它們在某些維度上與預期的最終生產(chǎn)材料相匹配，那么它們還是可以用于外觀、裝配和有限的功能測試。 通常，設(shè)計師和工程師最看重的屬性是剛度（技術(shù)術(shù)語拉伸模量）， 因此，如果原材料是類 ABS 材料時，它通常指該材料與ABS的剛度類似，而其他材料屬性有可能會差別很大。

光敏材料與工程級熱塑性塑料最常見的性能不同是斷裂伸長率（斷裂前的拉伸程度，以百分比衡量）和耐溫能力（軟化前的溫度）。光敏聚合物的斷裂伸長率和耐溫能力都遠不如對應(yīng)的工程塑料。

所有光敏聚合物都對氧氣具有長期敏感性，也就是長期暴露在氧氣環(huán)境各項性能會老化而退化，并且這種敏感性隨著溫度的增高會增加。 衡量老化的將能指標為相對熱指數(shù) (Relative Thermal Index, RTI)。 這是目前測量老化對光敏聚合物機的械和電氣性能的長期影響的最佳方法。 RTI 從測量關(guān)鍵基線屬性開始， 然后測試樣品在多個溫度下的老化，監(jiān)測其基線屬性，直到它們下降到原始值的 50%。 達到 50% 性能所需的時間稱為失效時間。

選擇合適的塑料

如果不了解一個零件的完整的應(yīng)用性能要求，就不能做出完全準確的材料選擇。但如果提前為選材料做太多的工程計算有時候又不太劃算，那么我們該如何為產(chǎn)品選一個合適的材料呢？下面我們提供一些快速選擇塑料的經(jīng)驗法則：

? 試試 ABS。 ABS 適用于很多很多應(yīng)用。它價格合理，堅固，相對堅韌，外觀不錯，即使您不遵循塑料零件的所有標準設(shè)計規(guī)則，它也很寬容。不過它的熔點確實相對較低。

? 如果需要更便宜和更剛強，并且外觀不是很重要，請嘗試聚丙烯 (PP)。

? 如果您需要比 ABS 更堅固或能夠承受更高溫度的東西，請嘗試使用聚碳酸酯 (PC)，PC不如ABS那么可以容錯設(shè)計規(guī)則，需要了解塑料零件的設(shè)計規(guī)則。。

? 如果需要美觀和透明，請嘗試亞克力（PMMA）。 PMMA 可能有點脆。

透明的 PC 會比 PMMA 更堅固，但在美觀上會少一些。

? 如果這些規(guī)則沒有選出合適的材料，那么你需要做數(shù)學和工程分析。

如果您打算使用注塑成型來制作零件，您可以制作模具之前，先用不同的候選目標材料機加工幾個零件，確定最終材料后再制作模具。這是模具在設(shè)計時是需要匹配了特定材料的屬性，樹脂在固化時會收縮，不同樹脂收縮率不一樣，因此可能無法在同一模具中使用多種樹脂，不同樹脂可能會對零件尺寸、公差和精度造成風險。

認識硬金屬和軟金屬

顯然，并不是所有零件都是塑料制成，金屬也是很常見，很多時候也是更合適的選擇。 金屬的種類非常多，零件制造中可以簡單地分為硬金屬或軟金屬。

軟金屬：鋁、銅、鎂

鋁是地球含量上最豐富的金屬，也是僅次于氧和硅的第三大常見元素，事實上鋁占地殼總質(zhì)量的8%！

鋁柔軟且具有高度延展性，因此它本身不適合用于機械用途。鋁通常與其他元素混合，包括硅、銅、鎂和鋅，然后經(jīng)過熱處理，制成如今用于機身、汽車和各種消費品的堅固、輕質(zhì)鋁合金。

另一種流行的輕質(zhì)材料是鎂。鎂大約是鋁合金重量的三分之二，但強度幾乎相同，是所有結(jié)構(gòu)金屬中最輕的。鎂是重要的比強度首選材料。它具有出色的阻尼特性，易于加工，易于成型或壓鑄。

另外一種軟金屬是銅，通常分為黃銅和（紫）銅。在這兩者中，黃銅是迄今為止用途最廣泛的銅合金，除了氨和一些酸含量高的環(huán)境外，它具有極強的耐候性和耐腐蝕性。如果您曾經(jīng)更換過汽車散熱器、焊接過廚房水龍頭或吹過沖鋒號，那么您就接觸過黃銅制成的零件。

硬金屬：鋼、不銹鋼、鈦、鈷鉻合金和鉻鎳鐵合金

有些零件需要用硬金屬制成。最常見的金屬制品是鋼，而鋼主要由鐵組成，鐵是僅次于鋁的第二豐富元素。人們在數(shù)千年以前便開始了煉鐵但直到19世紀中期，高質(zhì)量、大規(guī)模的鋼生產(chǎn)才成為可能。

與軟金屬一樣，少量的合金元素會對鋼的性能產(chǎn)生顯著影響——添加不到 1% 的碳和錳就是使脆鐵變成堅韌的1018鋼。適合飛機使用的 4140 合金鋼是由同樣少量的鉻和鉬粉混合而成。

通過這樣的混合添加，碳鋼可以在一定程度上硬化，并且易于焊接。但還有一個問題：它們會生銹，使電鍍或涂漆成為幾乎所有涉及碳鋼的應(yīng)用的要求。

為了防止生銹，不銹鋼被研制出來。通過將鉻的含量增加到至少 10.5%，耐腐蝕性能大大提高。不銹鋼廣泛用于化學工業(yè)、紡織加工和船舶應(yīng)用。許多不銹鋼也具有耐溫性，能夠承受 1480 攝氏度以上的溫度，這個溫度足以將鋁、黃銅和銅變成熔池。

3系不銹鋼(常見的有301,302,316等)至少含有 20% 的鉻以及相當數(shù)量的鎳，因此變得很強硬，加工比較困難。

17-4 PH不銹鋼是一種用途廣泛，非常堅韌的材料，含有鎳、鉻和銅。雖然被認為是不銹鋼系列的一部分，但它在退火狀態(tài)下的可加工性卻可以接近超級合金狀態(tài)——經(jīng)過熱處理，它很容易達到 45 Rc的硬度和1000MPa 或更高的抗拉強度，是碳鋼的三倍。它最常用于需要高強度和良好耐腐蝕性相結(jié)合的地方。

然后硬金屬還包含鈦。這種輕質(zhì)元素通常與鋁和釩合金化，提供堅固、耐腐蝕的材料。與鈷鉻合金一樣，鈦具有良好的生物相容性，廣泛用于接骨螺釘、銷釘和骨板。鈦還對有強烈減重需求的航空航天工業(yè)和高性能汽車制造商具有強勁的吸引力。

如果需要特別堅固耐用的合金，您可能會考慮鈷鉻合金或鉻鎳鐵合金。鉻鎳鐵合金含有 50% 或更多的鎳，使其在一定溫度范圍內(nèi)具有出色的強度。它用于滿足極端要求，例如燃氣輪機葉片、噴氣發(fā)動機壓縮機盤，甚至核反應(yīng)堆和噴氣發(fā)動機燃燒室。在元素周期表上與鎳相鄰的是鈷，它是鈷鉻合金的主要成分。不幸的是，鈷鉻合金和鉻鎳鐵合金通常被認為難以機加工，因此它們更常用于使用直接金屬激光燒結(jié) (SLM) 工藝的增材制造。

選擇正確的工藝

有時您會發(fā)現(xiàn)同樣的材料可以用于多個數(shù)字制造過程。 例如，尼龍,ABS等一些塑料材料既適用于 3D 打印，也適用于機加工，注塑成型。 同樣，某些金屬（如鋁和不銹鋼）可用于 3D打印、CNC機加工等工藝。

在多種工藝中使用的塑料和金屬該如何選擇？這涉及三個因素：

? 零件的最終用途

? 零件設(shè)計的復雜性

? 生產(chǎn)量

在接下來的4，5，6章節(jié)，我們將介紹主要的數(shù)字化制造工具，只有了解了這些工藝，才能根據(jù)具體情況作出正確的決策。