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高性能3D打印材料指南(一)

魔猴君  知識堂   462天前

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高性能3D打印材料指南(二)

雖然聚乳酸(PLA)是3D打印中最常用的塑料,但與高性能3D打印聚合物相比,聚乳酸(PLA)還是相形見絀。有幾十種三維打印塑料具有超高的強(qiáng)度、耐用性、耐磨性、耐熱性、生物相容性以及您的最終零件或功能原型可能需要的其他屬性。

今天魔猴網(wǎng)整理了幾種 3D 打印高性能聚合物相結(jié)合所獲得的獨特屬性。


采用 PEEK、PAEK、PEKK 或 PEI 等高溫材料 3D 打印的工業(yè)組件需要高溫 3D 打印機(jī)(來源:3DGence)

從航空航天到汽車再到醫(yī)療保健,越來越多的行業(yè)正在使用3D打印技術(shù)打印需要特定性能的終端零件。對于結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備備件、醫(yī)療植入物和工廠模具來說,3D 打印正促使它們從金屬轉(zhuǎn)向非金屬。事實上,高性能聚合物在越來越多的應(yīng)用中被證明優(yōu)于金屬部件,因為它們比金屬部件更輕,生產(chǎn)成本更低,生產(chǎn)速度更快。

3D打印聚合物部件通常更耐用;更耐腐蝕、耐化學(xué)腐蝕和耐熱;在高溫或零度以下具有更高的沖擊強(qiáng)度;與金屬相比,具有更高的電絕緣性和噪音抑制性。聚合物還可以進(jìn)行定制,制造出金屬通常無法實現(xiàn)的形狀,并且可以通過 3D 打印來整合部件,因此無需組裝或焊接。

在這篇高性能材料概述中,我們將介紹目前用于增材制造的頂級聚合物的特性,幫助您做出最佳選擇。

一、什么是高性能材料?


使用 Minifactory Ultra 用 PEEK 打印的零件(來源:Minifactory)

說到塑料,"高性能 "一詞并不是一個科學(xué)的分類,對于包括哪些聚合物的說法也不盡相同。您可能會聽到工程級、技術(shù)聚合物或高性能塑料等術(shù)語,指的是比最常見的 3D 打印材料(如 PLA 和 ABS)具有更高強(qiáng)度、純度、剛度、耐磨性和耐化學(xué)性的材料。

除了種類繁多的聚合物之外,還有大量的聚合物混合物、用玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)的聚合物以及品牌復(fù)合材料。

一般來說,高性能塑料在高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)品等惡劣環(huán)境下仍能保持理想的機(jī)械、熱和化學(xué)特性。換句話說,它們不會彎曲、翹曲、開裂或分裂。


二、高性能塑料有什么用途?


電動賽車 E0711-11 EVO 包含 90 多個使用 Intamsys 3D 打印機(jī)打印的高性能聚合物 3D 打印部件(來源:Intamsys)

由于成本高昂,高性能塑料最常用于制造終端功能部件。它們也被用作最終將由金屬、玻璃或大規(guī)模生產(chǎn)的部件(如汽車部件原型)的功能原型。如今,高性能聚合物已成為銅、黃銅、鈦和鋁等高成本且對環(huán)境不可持續(xù)的金屬的替代品,它們具有抗氧化、抗腐蝕和抗化學(xué)污染的特性。它們對熱的反應(yīng)也不同于金屬,這在從醫(yī)療植入物到電機(jī)的各種應(yīng)用中都是一個優(yōu)勢。

讓我們來看幾個具體的例子。

賽車運(yùn)動中的快速原型制造

在一個依賴于多次實驗設(shè)計迭代的行業(yè)中,能夠快速打印出實際經(jīng)受住功能測試的原型部件,能讓賽車隊更快地進(jìn)行創(chuàng)新。此外,由于材料的非導(dǎo)電性,更多最終使用的高性能 3D 打印部件正在進(jìn)入賽道和電動賽車。

最近的一個例子是摩托車賽車隊 Ducati Corse 使用 3D 打印高性能材料為 Ducati Panigale V4 R 超級摩托車制造水箱隔熱罩。該功能原型部件要求耐熱溫度高達(dá) 700oC,通常是通過手工層壓模具中的碳纖維預(yù)浸料制成的。通過與 3D 打印機(jī)制造商 Roboze 合作,該團(tuán)隊以更快的速度用碳-PEEK 3D 打印出了該部件,并完全省去了模具階段。

"Ducati Corse 車輛動力學(xué)和設(shè)計經(jīng)理 Riccardo Savin 說:"得益于 Roboze 用于超級聚合物和復(fù)合材料的 3D 打印技術(shù),我們能夠大大加快具有驚人機(jī)械性能的空氣動力學(xué)部件的生產(chǎn)速度。

制造一級方程式賽車的邁凱輪車隊與 3D 打印機(jī)制造商 Stratasys 合作,用碳纖維增強(qiáng)尼龍 12 材料生產(chǎn)空氣動力鏟和葉片。該公司表示,增材制造工藝將零件的交付周期從 29 天縮短到了 5 天,同時還將相關(guān)成本降低了約 25%。在另一個案例中,與傳統(tǒng)制造工藝相比,3D 打印前制動導(dǎo)管的交付周期縮短了 60%,成本降低了 85%。

"使用增材制造技術(shù),而不是加工金屬或聚合物,可以讓我們以更少的人員快速獲得部件。更少的時間、更少的人員、更少的材料、更少的浪費(fèi),"邁凱輪設(shè)計與開發(fā)總監(jiān)尼爾-奧特利(Neil Oatley)總結(jié)道。

Hexcel 的 HexPEKK 材料用于制造一系列比金屬更輕的航空航天部件(來源:Hexcel)

航空航天領(lǐng)域的輕量化

用堅固的高性能塑料部件代替金屬部件,可顯著降低飛機(jī)、航天器和衛(wèi)星的重量,從而提高燃料和尺寸效率。高性能塑料與創(chuàng)造性設(shè)計相結(jié)合,可制造出材料用量更少但強(qiáng)度高于鋁的部件,如支架和壁。高性能塑料,如可用溫度范圍為 -184 oC 至 149 oC 的 PEEK,是外太空惡劣條件下的理想選擇。

事實上,3D 打印的 PEEK 部件(由 Orion AM 打?。⒂?2023 年 4 月登陸月球,作為研究各種材料在惡劣的月球環(huán)境中如何發(fā)揮作用的一部分。之所以選擇 PEEK,是因為它足夠堅固,在某些情況下可以替代金屬零件,而且眾所周知它可以抵御太空環(huán)境。

快速生產(chǎn)模具和工具

3D 打印復(fù)雜的注塑模具和模具,尤其是用于獨特或短期生產(chǎn)的模具和模具,與數(shù)控銑削相比,成本更低,速度更快。此外,快速三維打印還不會造成材料浪費(fèi),使制造商能夠為客戶提供更多定制選項。

制造商們發(fā)現(xiàn),在機(jī)床組裝工藝中,高性能塑料完全可以與金屬相媲美,而且它們可以在內(nèi)部或 3D 打印服務(wù)機(jī)構(gòu)中以更快的速度打印出來,價格也只是后者的一小部分。

Hymer露營車與巴斯夫Forward AM公司合作,將高性能材料用于該車的100多個3D打印部件,實現(xiàn)了概念車的輕量化(資料來源:Forward AM公司)

患者專用植入物

生物相容性高性能聚合物可用于無數(shù)定制設(shè)計的植入物,以滿足患者的特定需求。與銑削加工相比,增材制造生產(chǎn)這些部件的速度更快,材料浪費(fèi)更少。由于具有骨整合性,3D 打印的 PEEK 已用于患者的骨替代。

瑞士 KYON 公司生產(chǎn)的最新一代無骨水泥髖關(guān)節(jié)假體可永久用于貓狗。該創(chuàng)新技術(shù)的核心是由贏創(chuàng)的 Vestakeep PEEK 生物材料制成的摩擦片(來源:KYON)

管道和水處理系統(tǒng)

堅固的高性能聚合物可以在加壓熱水應(yīng)用中替代黃銅,并通過消除重金屬的腐蝕和污染并提供更可持續(xù)的材料解決方案,與金屬相比具有明顯的優(yōu)勢。其出色的抗氧化性為需要持續(xù)暴露于熱氯化水或海水的應(yīng)用提供持久、持久的性能。

 

伏特加釀酒廠 Our/Vodka 選擇 3DVerkstan 由 PEI 制成的 3D 打印部件用于滅菌過程(來源:MiniFactory)

三、如何使用高性能材料進(jìn)行打印


當(dāng)今先進(jìn)的工業(yè)三維打印機(jī)消除了使用先進(jìn)材料打印時的大量試驗和錯誤(來源:AON3D)

當(dāng)然,要在最終部件中獲得所需的特性,就必須正確打印。對于高性能材料,您不僅需要特別注意熱端、加熱床和加熱室的溫度,還需要注意打印速度以及零件冷卻的快慢。這些變量還與打印的內(nèi)容有關(guān),例如打印壁的厚度和打印層的高度。

但不要因為高性能材料的技術(shù)要求而氣餒。事實上,如今的高溫工業(yè)三維打印機(jī)已經(jīng)自動完成了大量的打印工作,而且許多公司會與您合作,就如何使用高性能材料進(jìn)行打印提供建議。Stratasys、Roboze、Aon3D 等打印機(jī)制造商已經(jīng)在他們的機(jī)器上使用高性能材料打印了數(shù)百個小時,他們可以通過為機(jī)器推薦理想的打印參數(shù),讓您避免浪費(fèi)時間和昂貴的材料。

最佳工業(yè) FDM 3D 打印機(jī)

如果您的打印機(jī)不是專門為高性能材料設(shè)計的,那么您需要進(jìn)行更多的實驗才能獲得高質(zhì)量的打印效果。如果您的打印機(jī)不能保持高于 300 oC 的穩(wěn)定熱端溫度、高于 100 oC 的穩(wěn)定床層溫度以及高于 90 oC 的主動加熱室溫度,那么高性能材料只會給您帶來挫敗感。

材料的準(zhǔn)備和養(yǎng)護(hù)也至關(guān)重要。高性能聚合物需要保存在受控環(huán)境中,加工前通常需要長時間干燥。

在尋求打印部件的最佳結(jié)果時,加熱室是最重要的功能之一(來源:MiniFactory) 

四、所有品牌的高性能聚合物不盡相同

 

采用高性能材料 3D 打印的工業(yè)零件(來源:Intamsys)

在選購高性能材料時要注意的一點是,您制作的最終部件是否會用于受管制的行業(yè)。雖然 PPSU 具有生物相容性,但并不意味著所有的 PPSU 長絲都經(jīng)過醫(yī)學(xué)生物相容性認(rèn)證和批準(zhǔn)。個別材料制造商必須將其特定材料提交監(jiān)管機(jī)構(gòu)審批,因此請務(wù)必檢查您的長絲品牌是否具有這些認(rèn)證。

例如,蘇威 Radel PPSU 長絲已獲得 FDA 批準(zhǔn),可用于 24 小時皮膚接觸的醫(yī)療保健應(yīng)用,但并非所有 PPSU 長絲都獲得 FDA 批準(zhǔn)。

最安全的做法是與耗材公司合作,進(jìn)一步了解其材料的特性、用途和批準(zhǔn)的經(jīng)銷商。



編譯整理:ALL3DP

   
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