探索3D打印高溫塑料的世界
魔猴君 行業(yè)資訊 1605天前
在過去的2-3年中，高溫3D打印出現了驚人的增長，多年以來，大多數熱塑性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。對于大多數臺式設備而言，情況仍然如此，但是近幾年來已經開發(fā)出許多可以在更高溫度下處理材料的工業(yè)級3D打印設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
與金屬的應用相互交映
高溫材料非常有用，因為它們可以在更多環(huán)境中使用?？紤]一下汽車發(fā)動機中的塑料部件：如果暴露在足夠高的溫度下，它會變軟甚至熔化。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，人們對這些高溫3D打印零件非常熱衷。
通常開放式臺式3D打印機完全不足以3D打印高溫材料，因為必須將所需的熱量封閉并精確控制。根據3D科學谷的市場研究，市場上出現了一些專注于高溫材料的3D打印機制造商，包括Roboze，INTAMSYS，Minifactory等。一些原來的制造商，例如Stratasys，EOS也提供高溫熱塑性材料打印功能，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
該聚合物的化學名稱為“聚醚醚酮”，實際上是PAEK家族的一部分，顯然是1980年代英國Victrex發(fā)明的。它具有強大的耐用性，因此成為最受歡迎的高溫3D打印材料之一，因此通常用于高應力應用。
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變溫度（Tg=143℃）和熔點（Tm=334℃），其負載熱變形溫度高達316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時使用溫度可達300℃。
自潤滑性：PEEK具有良好的滑動特性，適合于嚴格要求低摩擦系數和耐磨耗用途的場合，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，具有很高的化學穩(wěn)定性。
阻燃性：PEEK具有自熄性，即使不加任何阻燃劑，可達到UL標準的94V-0級。
易加工性：由于PEEK具有較好的高溫流動性，且熱分解溫度高的特點，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強，保持良好的絕緣性能。
耐水解性：樹脂及其復合材料不受水和高壓水蒸氣的化學影響，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)境要求嚴格或需要經常耐殺菌處理的組件。
l PEKK
化學名稱“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，還因為它們具有許多共同的特性。但是，PEKK能夠承受更大的壓縮力,耐熱性也往往比PEEK高。
l PEI
化學名稱為“ Polyetherimide”，也可以以SABIC的商標“ 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設備的材料選件。盡管比PEEK便宜，但它的耐熱性和強度也稍差,PEI通常用于航空航天應用。
l PPSU / PPSF
化學名稱“聚苯砜”。這種材料具有很高的強度和耐化學性。包括Stratasys在內的多家公司提供這種材料選擇。
l PAEK
化學名稱“聚芳基醚酮”。這種材料是相對于高溫3D打印空間而言相對較新的材料，但是它具有高達350C的極高的耐高溫性，并且與其他高溫材料相比，燃燒時產生的毒素更少。這使得它可以用于可能發(fā)生人體暴露的應用。
l PC
聚碳酸酯是指一類在其結構中整合了碳酸鹽的聚合物。PC是一種非常流行的材料，因為它具有出色的耐用性以及很高的抗沖擊性和耐刮擦性。因此，它通常用于消費產品。
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，因為與該清單上的其他材料相比，某些聚酰胺的玻璃化轉變溫度較低。PA有幾種，通常用數字表示：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，占絕對主導地位，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，尼龍的改性品種數量繁多，如增強尼龍，單體澆鑄尼龍（MC尼龍），反應注射成型（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，木材等傳統材料代用品，作為各種結構材料。
迄今為止，根據3D科學谷的市場研究，選擇性激光燒結粉末床-SLS工藝、多射流熔化-MJF工藝、高速燒結-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）更堅固，更耐用，雖然SLS設備廠商或其他3D打印技術設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，當然也有許多類型的PA復合材料，包括玻璃增強尼龍、碳纖維增強尼龍，以提供某些附加的性質。
大多數PA燒結部件不能一次打印多種顏色，有一個例外是噴墨技術（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打印腕手康復支具，為PA12 材料的代表性應用。來源：惠普
l PVDF
化學名稱“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3D打印機制造商支持。PVDF的主要主張是，它幾乎與其他材料完全不發(fā)生反應，因此使其適合需要暴露的特定應用，包括生物醫(yī)學應用。
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，耐高溫性和長期耐用性。它可能會成為將來3D打印的另一種材料。
PEEK材料供應商
根據3D科學谷的市場研究，英國威格斯（Victrex）、比利時索爾維(Solvay)、德國贏創(chuàng)(Evonik)是全球三大PEEK生產商。
l 英國威格斯（Victrex）
威格斯正帶領由多家公司和機構組成的聯盟，投身于3D打印(增材制造或AM)創(chuàng)新。作為其關鍵角色的一部分，威格斯將以專用于增材制造工藝的新型化學配方設計為基礎，開發(fā)高性能聚芳醚酮(PAEK)聚合物新牌號。
事實上，威格斯的PAEK聚合物已經在長絲熔融和粉料激光燒結的3D打印零件中得到應用，同時該公司還在積極開發(fā)新的解決方案。在行業(yè)內，該聯盟正著眼于為新的PAEK聚合物牌號開發(fā)新的應用領域，有望為以航空航天行業(yè)為重點的增材制造技術帶來革命性的變化。
l 比利時索爾維(Solvay)
索爾維的PEEK材料用于3D打印已經獲得了一系列的成功案例，其中，傳奇性汽車創(chuàng)新者Matti Holtzberg領導的Polimotor 2項目，配備了索爾維KetaSpire? 聚醚醚酮（PEEK）增強等級生產的3D打印燃油進氣歧管。該產品由復合部件增材制造領先企業(yè)Arevo Labs利用創(chuàng)新性增強長絲融合技術制成。索爾維是這一極受期待的技術項目的主要材料贊助商。
用PEEK替代原來的鋁制進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等級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240°C (464°F)的連續(xù)使用溫度下，具有可靠的機械性能。這些品質使得該材料成為Polimotor 2燃油進氣歧管極為理想的選擇，因為在靠近活塞的進氣部位溫度達到150°C (302°F)。
Polimotor 2項目旨在開發(fā)重量介于138 至 148 磅 (63-67 公斤)、或比現有標準發(fā)動機輕90磅 (41公斤)的全塑型四缸雙頂置式凸輪軸發(fā)動機。除了現有的燃油進氣歧管產品外，Holtzberg這一革命性項目還將充分發(fā)揮索爾維先進聚合物技術的優(yōu)勢，開發(fā)多達10種發(fā)動機部件。包括水泵、油泵、進水/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。
與傳統長絲融合3D打印工藝類似，Arevo技術將聚合物長絲依次往上或沿著長度方向堆疊，最終形成復雜的形狀。這樣可以快速地將數字化設計的產品快速加工成功能部件，節(jié)省了先制造模具，再進行原型制造的時間和成本。但是，Arevo公司的增強長絲融合技術平臺具有獨特的能力，可以打印增強PEEK聚合物。與Arevo的工藝控制軟件相結合，該平臺可用于優(yōu)化打印部件的機械性能。
l 德國贏創(chuàng)(Evonik)
贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產方面擁有超過40年的豐富經驗。其多元化的產品組合包含幾乎所有工業(yè)應用的解決方案。因此，集團是全球PEEK市場上客戶長期合作的可靠伙伴。
憑借極為出色的耐熱性與耐化學性，贏創(chuàng)VESTAKEEP?特殊聚合物可替代金屬部件，滿足輕量化結構件應用的需求。
VESTAKEEP? Easy Slide I是一款PEEK改性產品，具有優(yōu)越的耐磨性與較低的滑動摩擦，能夠用于生產體積更小且更為強韌的結構部件，例如真空泵。而VESTAKEEP? 5000 HCM（熱壓成型）級產品能夠提高定制PEEK密封件的生產效率，使這些應用于石油天然氣行業(yè)的密封件具有出色的機械特性和卓越的表現。
l 美國牛津性能材料OPM
自1999年以來，美國牛津性能材料（OPM）公司就一直在開發(fā)PEKK材料的先進應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)產品等，品牌以OXPEKK? 為業(yè)界熟知。
美國牛津性能的PEKK材料是一種具有卓越的強度、耐化學性、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特幾何形狀的物體的能力相結合，專門針對航空航天、運送、能源、醫(yī)療及半導體領域提供低重量、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打印的結構件，OPM已經開始出貨OXFAB材料打印的零部件。CST-100火箭飛船被設計為可運輸多達七名乘客，或混合船員和貨物，在低地球軌道運行–這個火箭飛船隸屬于NASA的商業(yè)乘員計劃合作項目。
尼龍材料供應商
國際上主要的尼龍廠家包括道化學、巴斯夫、沙特基礎化學、羅地亞、朗盛、DSM、贏創(chuàng)、阿柯瑪、Invista、EMS。我國的尼龍市場處于供不應求的依賴進口的狀態(tài)，國產品牌中神馬實業(yè)是主要的國內生產廠家。3D打印領域，贏創(chuàng)、巴斯夫、湖南華曙高科是最活躍的廠家。
l 德國贏創(chuàng)(Evonik)
贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產方面擁有超過40年的豐富經驗。其多元化的產品組合包含幾乎所有工業(yè)應用的解決方案。因此，集團是全球尼龍市場上客戶長期合作的可靠伙伴。
贏創(chuàng)生產阻燃PA12，以及新的橡膠類材料和PA613，它結合了耐高溫，高伸長率和高剛度，可用于開發(fā)新的應用，特別是在交通運輸行業(yè)。
除了配合SLS工藝，針對于惠普的MJP設備，到目前為止，Evonik已經開發(fā)了聚酰胺（PA）12粉末和PA-11粉末材料。
l 德國巴斯夫（BASF)
巴斯夫還在開發(fā)用于粉末床技術的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(SLS)工藝。它是一種灰色的聚酰胺-6型粉末，熔點在193攝氏度左右，制造的部件以高剛度和高強度為特征，而且很容易在最常用的SLS機器上進行加工。
PA6是一種強大的尼龍，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激光燒結工藝的Ultrasint PA6粉末提高了耐溫性，提供了更高的強度和模量，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，適合機械性能和韌性要求高的產品，零部件制造或利用粘結劑制造的大型件，復雜件與塑料模型，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激光燒結技術產生了需要卓越的機械和美學特性的全球產品，而且他們的塑料產品可以被CNC機床進行加工。Windform材料的名稱由來就是因為這種材料最初被用于賽車的快速制造，用來制造風洞測試的零部件。
Windform材料不同尋常的特點是這些基于聚酰胺的復合材料為3D打印打開了塑料領域的更大潛力，通過碳纖維或玻璃纖維增強，這些零件具備了重要的機械性能。
這使得Windform材料在汽車領域不僅被廣泛用于制造結構件，而且在零件的實現上創(chuàng)造出強烈的美學效果。
來源：3D科學谷
