高性能3D打印材料指南（一）

魔猴君  知識(shí)堂   405天前

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(dú)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(duì)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(shí)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?yàn)樗鼈儽冉饘俨考p，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(shí)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(jí)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(gè)科學(xué)的分類，對(duì)于包括哪些聚合物的說法也不盡相同。您可能會(huì)聽到工程級(jí)、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(huì)彎曲、翹曲、開裂或分裂。

二、高性能塑料有什么用途？

電動(dòng)賽車 E0711-11 EVO 包含 90 多個(gè)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(duì)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(duì)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(gè)優(yōu)勢。

讓我們來看幾個(gè)具體的例子。

賽車運(yùn)動(dòng)中的快速原型制造

在一個(gè)依賴于多次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)迭代的行業(yè)中，能夠快速打印出實(shí)際經(jīng)受住功能測試的原型部件，能讓賽車隊(duì)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(dòng)賽車。

最近的一個(gè)例子是摩托車賽車隊(duì) Ducati Corse 使用 3D 打印高性能材料為 Ducati Panigale V4 R 超級(jí)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(duì)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(dòng)力學(xué)和設(shè)計(jì)經(jīng)理 Riccardo Savin 說："得益于 Roboze 用于超級(jí)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(dòng)力學(xué)部件的生產(chǎn)速度。

制造一級(jí)方程式賽車的邁凱輪車隊(duì)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(dòng)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(shí)還將相關(guān)成本降低了約 25%。在另一個(gè)案例中，與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D 打印前制動(dòng)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(shí)間、更少的人員、更少的材料、更少的浪費(fèi)，"邁凱輪設(shè)計(jì)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(jiān)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(jì)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(shí)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?yàn)樗銐驁?jiān)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(dú)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(huì)造成材料浪費(fèi)，使制造商能夠?yàn)榭蛻籼峁└喽ㄖ七x項(xiàng)。

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(jià)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(gè)3D打印部件，實(shí)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(jì)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(jiān)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(shí)的大量試驗(yàn)和錯(cuò)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(duì)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?yàn)楦咝阅懿牧系募夹g(shù)要求而氣餒。事實(shí)上，如今的高溫工業(yè)三維打印機(jī)已經(jīng)自動(dòng)完成了大量的打印工作，而且許多公司會(huì)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(gè)小時(shí)，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(shí)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(jì)的，那么您需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)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(dòng)加熱室溫度，那么高性能材料只會(huì)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(shí)間干燥。

在尋求打印部件的最佳結(jié)果時(shí)，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(shí)要注意的一點(diǎn)是，您制作的最終部件是否會(huì)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(gè)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(qǐng)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(shí)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