探索3D打印高溫塑料的世界

魔猴君  行業(yè)資訊   1544天前

  在過去的2-3年中，高溫3D打印出現(xiàn)了驚人的增長(zhǎng)，多年以來，大多數(shù)熱塑性3D打印僅限于很小一部分熱塑性塑料，主要是PLA和ABS，以及一些PETG。對(duì)于大多數(shù)臺(tái)式設(shè)備而言，情況仍然如此，但是近幾年來已經(jīng)開發(fā)出許多可以在更高溫度下處理材料的工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備那么這些高溫塑料材料是什么？它們的特性是什么？如何在3D打印中使用它們？

來源：Kerry Stevenson

 與金屬的應(yīng)用相互交映

高溫材料非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟喹h(huán)境中使用?？紤]一下汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的塑料部件：如果暴露在足夠高的溫度下，它會(huì)變軟甚至熔化。但是，如果它是由具有較高耐熱性的材料制成的，則可以成為減輕汽車重量的友好解決方案。塑料零件通常比金屬零件輕，這在很多方面都是有利的，尤其是在汽車和航空航天行業(yè)。因此，人們對(duì)這些高溫3D打印零件非常熱衷。

通常開放式臺(tái)式3D打印機(jī)完全不足以3D打印高溫材料，因?yàn)楸仨殞⑺璧臒崃糠忾]并精確控制。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些專注于高溫材料的3D打印機(jī)制造商，包括Roboze，INTAMSYS，Minifactory等。一些原來的制造商，例如Stratasys，EOS也提供高溫?zé)崴苄圆牧洗蛴」δ埽?/span>惠普、voxeljet-維捷等則提供尼龍的高速3D打印功能。

 高溫塑料

l PEEK

該聚合物的化學(xué)名稱為“聚醚醚酮”，實(shí)際上是PAEK家族的一部分，顯然是1980年代英國(guó)Victrex發(fā)明的。它具有強(qiáng)大的耐用性，因此成為最受歡迎的高溫3D打印材料之一，因此通常用于高應(yīng)力應(yīng)用。

聚醚醚酮（PEEK）具有以下方面的特性

耐高溫性：PEEK具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg=143℃）和熔點(diǎn)（Tm=334℃），其負(fù)載熱變形溫度高達(dá)316℃，長(zhǎng)期使用溫度為260℃，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)300℃。

自潤(rùn)滑性：PEEK具有良好的滑動(dòng)特性，適合于嚴(yán)格要求低摩擦系數(shù)和耐磨耗用途的場(chǎng)合，特別是用碳纖維、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常優(yōu)越。

耐腐蝕性：除濃硫酸外，PEEK不溶于任何溶劑，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。

阻燃性：PEEK具有自熄性，即使不加任何阻燃劑，可達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)的94V-0級(jí)。

易加工性：由于PEEK具有較好的高溫流動(dòng)性，且熱分解溫度高的特點(diǎn)，可采用多種加工方式，比如注塑成型、擠出成型、模壓成型及熔融紡絲等。

機(jī)械特性：PEEK具有良好的韌性和剛性，它具備與合金材料媲美的優(yōu)良耐疲勞性。

電性能：PEEK有高的體積電阻率和表面電阻率，在寬廣的溫度范圍及環(huán)境變化下可以承受各種頻率的交流電位場(chǎng)強(qiáng)，保持良好的絕緣性能。

耐水解性：樹脂及其復(fù)合材料不受水和高壓水蒸氣的化學(xué)影響，在高溫及高壓蒸汽或水環(huán)境下可以連續(xù)使用而保持良好的機(jī)械性能。

耐候性：優(yōu)良的耐候性能，聚合物可用于制造工作環(huán)境要求嚴(yán)格或需要經(jīng)常耐殺菌處理的組件。

l PEKK

化學(xué)名稱“聚醚酮酮”，這種新興的3D打印材料正變得越來越流行。PEKK與PEEK的不同之處不僅在于其名稱，還因?yàn)樗鼈兙哂性S多共同的特性。但是，PEKK能夠承受更大的壓縮力,耐熱性也往往比PEEK高。

l PEI

化學(xué)名稱為“ Polyetherimide”，也可以以SABIC的商標(biāo)“ ULTEM”找到。它是Stratasys提供的首批高溫3D打印材料之一，可作為其Fortus設(shè)備的材料選件。盡管比PEEK便宜，但它的耐熱性和強(qiáng)度也稍差,PEI通常用于航空航天應(yīng)用。

l PPSU / PPSF

化學(xué)名稱“聚苯砜”。這種材料具有很高的強(qiáng)度和耐化學(xué)性。包括Stratasys在內(nèi)的多家公司提供這種材料選擇。

l PAEK

化學(xué)名稱“聚芳基醚酮”。這種材料是相對(duì)于高溫3D打印空間而言相對(duì)較新的材料，但是它具有高達(dá)350C的極高的耐高溫性，并且與其他高溫材料相比，燃燒時(shí)產(chǎn)生的毒素更少。這使得它可以用于可能發(fā)生人體暴露的應(yīng)用。

l PC

聚碳酸酯是指一類在其結(jié)構(gòu)中整合了碳酸鹽的聚合物。PC是一種非常流行的材料，因?yàn)樗哂谐錾哪陀眯砸约昂芨叩目箾_擊性和耐刮擦性。因此，它通常用于消費(fèi)產(chǎn)品。

l PA

聚酰胺是一種非常常見的3D打印材料，盡管可能很難證明它們是高溫材料，因?yàn)榕c該清單上的其他材料相比，某些聚酰胺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低。PA有幾種，通常用數(shù)字表示：PA-6，PA-11，PA-12，PA-66等。它們也被稱為“尼龍”。

尼龍中的主要品種是尼龍6和尼龍66，占絕對(duì)主導(dǎo)地位，其次是尼龍11，尼龍12，尼龍610，尼龍612，另外還有尼龍 1010，尼龍46，尼龍7，尼龍9，尼龍13，新品種有尼龍6I，尼龍9T和特殊尼龍MXD6（阻隔性樹脂）等，尼龍的改性品種數(shù)量繁多，如增強(qiáng)尼龍，單體澆鑄尼龍（MC尼龍），反應(yīng)注射成型（RIM）尼龍，芳香族尼龍，透明尼龍，高抗沖（超韌）尼龍，電鍍尼龍，導(dǎo)電尼龍，阻燃尼龍，尼龍與其他聚合物共混物和合金等，滿足不同特殊要求，廣泛用作金屬，木材等傳統(tǒng)材料代用品，作為各種結(jié)構(gòu)材料。

迄今為止，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，選擇性激光燒結(jié)粉末床-SLS工藝、多射流熔化-MJF工藝、高速燒結(jié)-HSS工藝中使用最廣泛的塑料是聚酰胺（PA）- 尼龍。尼龍比其他一些塑料（如ABS）更堅(jiān)固，更耐用，雖然SLS設(shè)備廠商或其他3D打印技術(shù)設(shè)備制造商都提供某種形式的PA，但目前最基本的品種是PA11和PA12，當(dāng)然也有許多類型的PA復(fù)合材料，包括玻璃增強(qiáng)尼龍、碳纖維增強(qiáng)尼龍，以提供某些附加的性質(zhì)。

大多數(shù)PA燒結(jié)部件不能一次打印多種顏色，有一個(gè)例外是噴墨技術(shù)（例如MJF），可以將彩色墨水沉積到3D打印部件上，以創(chuàng)造充滿活力的全彩色對(duì)象。

黑格科技與惠普攜手，利用PA 12材料打造的高度定制化的3D打印腕手康復(fù)支具，為PA12 材料的代表性應(yīng)用。來源：惠普

l PVDF

化學(xué)名稱“聚偏二氟乙烯”。這是3D打印的一種非常新的材料，目前僅由Minifactory等少數(shù)3D打印機(jī)制造商支持。PVDF的主要主張是，它幾乎與其他材料完全不發(fā)生反應(yīng)，因此使其適合需要暴露的特定應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

l TPI

熱塑性聚酰亞胺似乎僅處于3D打印的研究階段，TPI具有耐磨性，耐高溫性和長(zhǎng)期耐用性。它可能會(huì)成為將來3D打印的另一種材料。

 PEEK材料供應(yīng)商

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，英國(guó)威格斯（Victrex）、比利時(shí)索爾維(Solvay)、德國(guó)贏創(chuàng)(Evonik)是全球三大PEEK生產(chǎn)商。

l  英國(guó)威格斯（Victrex）

威格斯正帶領(lǐng)由多家公司和機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟，投身于3D打印(增材制造或AM)創(chuàng)新。作為其關(guān)鍵角色的一部分，威格斯將以專用于增材制造工藝的新型化學(xué)配方設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，開發(fā)高性能聚芳醚酮(PAEK)聚合物新牌號(hào)。

事實(shí)上，威格斯的PAEK聚合物已經(jīng)在長(zhǎng)絲熔融和粉料激光燒結(jié)的3D打印零件中得到應(yīng)用，同時(shí)該公司還在積極開發(fā)新的解決方案。在行業(yè)內(nèi)，該聯(lián)盟正著眼于為新的PAEK聚合物牌號(hào)開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，有望為以航空航天行業(yè)為重點(diǎn)的增材制造技術(shù)帶來革命性的變化。

l  比利時(shí)索爾維(Solvay)

索爾維的PEEK材料用于3D打印已經(jīng)獲得了一系列的成功案例，其中，傳奇性汽車創(chuàng)新者M(jìn)atti Holtzberg領(lǐng)導(dǎo)的Polimotor 2項(xiàng)目，配備了索爾維KetaSpire? 聚醚醚酮（PEEK）增強(qiáng)等級(jí)生產(chǎn)的3D打印燃油進(jìn)氣歧管。該產(chǎn)品由復(fù)合部件增材制造領(lǐng)先企業(yè)Arevo Labs利用創(chuàng)新性增強(qiáng)長(zhǎng)絲融合技術(shù)制成。索爾維是這一極受期待的技術(shù)項(xiàng)目的主要材料贊助商。

用PEEK替代原來的鋁制進(jìn)氣歧管可以減輕部件重量50%。專為Polimotor 2選定的材料是一種定制配方的增強(qiáng)等級(jí)KetaSpire? KT-820 PEEK 含有10%的碳纖維。KetaSpire? PEEK是索爾維性能最優(yōu)異的聚合物之一，可以很好地耐受汽車工作液，并在高達(dá)240°C (464°F)的連續(xù)使用溫度下，具有可靠的機(jī)械性能。這些品質(zhì)使得該材料成為Polimotor 2燃油進(jìn)氣歧管極為理想的選擇，因?yàn)樵诳拷钊倪M(jìn)氣部位溫度達(dá)到150°C (302°F)。

Polimotor 2項(xiàng)目旨在開發(fā)重量介于138 至 148 磅 (63-67 公斤)、或比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕90磅 (41公斤)的全塑型四缸雙頂置式凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。除了現(xiàn)有的燃油進(jìn)氣歧管產(chǎn)品外，Holtzberg這一革命性項(xiàng)目還將充分發(fā)揮索爾維先進(jìn)聚合物技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)多達(dá)10種發(fā)動(dòng)機(jī)部件。包括水泵、油泵、進(jìn)水/出水口、節(jié)流閥、油軌和其它高性能部件。有望采用的索爾維材料包括Amodel? 聚肽酰胺樹脂(PPA)、 AvaSpire? 聚芳醚酮 (PAEK)、 Radel? 聚苯碸(PPSU)、 Ryton? 聚苯硫醚 (PPS)、 Torlon? 聚酰胺-酰亞胺(PAI)和Tecnoflon? VPL氟橡膠。

與傳統(tǒng)長(zhǎng)絲融合3D打印工藝類似，Arevo技術(shù)將聚合物長(zhǎng)絲依次往上或沿著長(zhǎng)度方向堆疊，最終形成復(fù)雜的形狀。這樣可以快速地將數(shù)字化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品快速加工成功能部件，節(jié)省了先制造模具，再進(jìn)行原型制造的時(shí)間和成本。但是，Arevo公司的增強(qiáng)長(zhǎng)絲融合技術(shù)平臺(tái)具有獨(dú)特的能力，可以打印增強(qiáng)PEEK聚合物。與Arevo的工藝控制軟件相結(jié)合，該平臺(tái)可用于優(yōu)化打印部件的機(jī)械性能。

l  德國(guó)贏創(chuàng)(Evonik)

贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產(chǎn)方面擁有超過40年的豐富經(jīng)驗(yàn)。其多元化的產(chǎn)品組合包含幾乎所有工業(yè)應(yīng)用的解決方案。因此，集團(tuán)是全球PEEK市場(chǎng)上客戶長(zhǎng)期合作的可靠伙伴。

憑借極為出色的耐熱性與耐化學(xué)性，贏創(chuàng)VESTAKEEP?特殊聚合物可替代金屬部件，滿足輕量化結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的需求。

VESTAKEEP? Easy Slide I是一款PEEK改性產(chǎn)品，具有優(yōu)越的耐磨性與較低的滑動(dòng)摩擦，能夠用于生產(chǎn)體積更小且更為強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)部件，例如真空泵。而VESTAKEEP? 5000 HCM（熱壓成型）級(jí)產(chǎn)品能夠提高定制PEEK密封件的生產(chǎn)效率，使這些應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)的密封件具有出色的機(jī)械特性和卓越的表現(xiàn)。

l 美國(guó)牛津性能材料OPM

自1999年以來，美國(guó)牛津性能材料（OPM）公司就一直在開發(fā)PEKK材料的先進(jìn)應(yīng)用和專有制造工藝以用于生物醫(yī)藥、航空航天、以及工業(yè)產(chǎn)品等，品牌以O(shè)XPEKK? 為業(yè)界熟知。

美國(guó)牛津性能的PEKK材料是一種具有卓越的強(qiáng)度、耐化學(xué)性、耐低溫和高溫、耐輻射性，以及優(yōu)異的耐磨損性能的超高性能聚合物”。由于具有這些令人印象深刻的特性，OPM將其與3D打印能夠制造具有獨(dú)特幾何形狀的物體的能力相結(jié)合，專門針對(duì)航空航天、運(yùn)送、能源、醫(yī)療及半導(dǎo)體領(lǐng)域提供低重量、高性能的3D打印部件。

牛津性能材料（OPM）已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件，OPM已經(jīng)開始出貨OXFAB材料打印的零部件。CST-100火箭飛船被設(shè)計(jì)為可運(yùn)輸多達(dá)七名乘客，或混合船員和貨物，在低地球軌道運(yùn)行–這個(gè)火箭飛船隸屬于NASA的商業(yè)乘員計(jì)劃合作項(xiàng)目。

  尼龍材料供應(yīng)商

國(guó)際上主要的尼龍廠家包括道化學(xué)、巴斯夫、沙特基礎(chǔ)化學(xué)、羅地亞、朗盛、DSM、贏創(chuàng)、阿柯瑪、Invista、EMS。我國(guó)的尼龍市場(chǎng)處于供不應(yīng)求的依賴進(jìn)口的狀態(tài)，國(guó)產(chǎn)品牌中神馬實(shí)業(yè)是主要的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家。3D打印領(lǐng)域，贏創(chuàng)、巴斯夫、湖南華曙高科是最活躍的廠家。

l 德國(guó)贏創(chuàng)(Evonik)

贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產(chǎn)方面擁有超過40年的豐富經(jīng)驗(yàn)。其多元化的產(chǎn)品組合包含幾乎所有工業(yè)應(yīng)用的解決方案。因此，集團(tuán)是全球尼龍市場(chǎng)上客戶長(zhǎng)期合作的可靠伙伴。

贏創(chuàng)生產(chǎn)阻燃PA12，以及新的橡膠類材料和PA613，它結(jié)合了耐高溫，高伸長(zhǎng)率和高剛度，可用于開發(fā)新的應(yīng)用，特別是在交通運(yùn)輸行業(yè)。

除了配合SLS工藝，針對(duì)于惠普的MJP設(shè)備，到目前為止，Evonik已經(jīng)開發(fā)了聚酰胺（PA）12粉末和PA-11粉末材料。

l 德國(guó)巴斯夫（BASF)

巴斯夫還在開發(fā)用于粉末床技術(shù)的3D打印材料。Ultrasint PA6 LM X085是一種新型材料，用于選擇性激光燒結(jié)(SLS)工藝。它是一種灰色的聚酰胺-6型粉末，熔點(diǎn)在193攝氏度左右，制造的部件以高剛度和高強(qiáng)度為特征，而且很容易在最常用的SLS機(jī)器上進(jìn)行加工。

PA6是一種強(qiáng)大的尼龍，用于汽車和電子行業(yè)，以替代金屬，以創(chuàng)造更輕、更便宜的部件。在SLS的加工環(huán)境中，PA6要求更高的加工溫度。特別是在汽車和消費(fèi)品行業(yè)，目前用戶大多局限在尼龍PA11和PA12之間選擇。

巴斯夫用于SLS激光燒結(jié)工藝的Ultrasint PA6粉末提高了耐溫性，提供了更高的強(qiáng)度和模量，以及抗爆破和壓力性能。

l  湖南華曙（Farsoon)

湖南華曙推出了一系列的尼龍材料，其中尼龍材料FS3200PA Nylon Powder，適合機(jī)械性能和韌性要求高的產(chǎn)品，零部件制造或利用粘結(jié)劑制造的大型件，復(fù)雜件與塑料模型，汽車輸油管、剎車管等。

材料方面，華曙高科還與Prodways合作，以推廣尼龍材料在海外的市場(chǎng)占有率。

l 意大利Windform

意大利的CRP Technology的Windform聚酰胺材料為SLS激光燒結(jié)技術(shù)產(chǎn)生了需要卓越的機(jī)械和美學(xué)特性的全球產(chǎn)品，而且他們的塑料產(chǎn)品可以被CNC機(jī)床進(jìn)行加工。Windform材料的名稱由來就是因?yàn)檫@種材料最初被用于賽車的快速制造，用來制造風(fēng)洞測(cè)試的零部件。

Windform材料不同尋常的特點(diǎn)是這些基于聚酰胺的復(fù)合材料為3D打印打開了塑料領(lǐng)域的更大潛力，通過碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)，這些零件具備了重要的機(jī)械性能。

這使得Windform材料在汽車領(lǐng)域不僅被廣泛用于制造結(jié)構(gòu)件，而且在零件的實(shí)現(xiàn)上創(chuàng)造出強(qiáng)烈的美學(xué)效果。

來源：3D科學(xué)谷