高性能聚合物與金屬：選擇哪種3D打印材料？

魔猴君  知識堂   172天前

說到3D打印，材料至關(guān)重要。每種材料（無論是金屬、塑料還是陶瓷）的性能和特性都會對最終零件產(chǎn)生重大影響。了解哪種材料最好是創(chuàng)建零件的關(guān)鍵步驟，因為從支撐結(jié)構(gòu)的使用到收縮問題和最終零件的性能，設(shè)計都會受到影響。但是，當(dāng)兩組完全不同的材料都可以用于先進(jìn)的最終用途零件時呢？最好的例子無疑是高性能聚合物（HPP）與金屬之間的比較。

盡管金屬和聚合物顯然完全不同，但某些聚合物的性能和特性可與許多金屬相媲美，使其成為可能的替代品。但為什么要使用其中一種而不是另一種呢？兩者之間的主要區(qū)別是什么？3D打印時要注意什么？

用高性能聚合物打印的部件（照片來源：AON3D）

HPP和金屬的性能和特點

當(dāng)談到高性能金屬和聚合物時，差異始于它們的起源。雖然大多數(shù)金屬都存在于自然界中（當(dāng)然合金除外），但聚合物是制造出來的。此外，3D打印中使用的聚合物鏈由化學(xué)性質(zhì)不同且相互纏繞的聚合物鏈組成。

盡管來源有很大不同，但HPP的特性和性能與金屬相似。首先，需要注意的是，“高性能”一詞并不是一個技術(shù)術(shù)語。相反，它指的是工程級工程聚合物，往往具有更高的強度、純度、剛性以及耐磨性和耐化學(xué)性。在這些聚合物中，我們可以引用熱塑性塑料，例如ULTEM、PEKK、PEEK等。盡管TPE/TPU、PC和尼龍有時被歸為一類，但它們應(yīng)被視為“工程熱塑性塑料”。這些工程材料可能足以滿足某些應(yīng)用的要求并且價格較低，盡管它們的性能不如金屬或HPP。用戶在選擇以下材料時應(yīng)該考慮自己到底需要什么。

不同的聚合物有不同的分類，如金字塔所示（圖片來源：Chiara Morano和Leonardo Pagnotta）。

用于增材制造的金屬也有很多種，包括自然形成的金屬以及合金（通過組合兩種或多種元素制成的金屬，以賦予其更大的強度或某些特性）。舉例來說，常用的金屬有鋁及其合金、鋼（包括不銹鋼和工具鋼）、銅合金、鎵、鈦及其合金、鎳基鈷鉻合金，近年來甚至出現(xiàn)了貴金屬例如金或銀。所使用的金屬類型取決于最終零件的預(yù)期用途，因為每種金屬都有不同的特性。

根據(jù)金屬形狀的不同，特性也有所不同。雖然高性能聚合物主要以長絲的形式用于增材制造（也發(fā)現(xiàn)了一些粉末），但金屬提供了更多選擇。例如，金屬當(dāng)然可以是粉末形式，但也可以是細(xì)絲形式（通常是與聚合物基質(zhì)的復(fù)合材料）、線材甚至納米顆粒。這當(dāng)然對3D打印有直接影響，因為它提供了更多的選擇，我們稍后會看到。

這些材料有什么特性？

HPP和金屬在3D打印中的關(guān)鍵在于它們都具有令人難以置信的機械、熱和化學(xué)性能。事實上，高性能熱塑性塑料可與大多數(shù)金屬相媲美，尤其是“超級”聚合物，如PAEK（包括聚醚酮系列中的所有材料，如PEEK和PEKK）和PEI（以Ultem品牌更為人所知）。

例如，PAEK材料以其優(yōu)異的耐化學(xué)品、耐液體、耐磨損、耐高溫和耐火性而聞名。此外，即使在高溫或零度以下的溫度下，它們也具有卓越的熱性能和機械性能以及高抗沖擊性。使用高性能聚合物的主要優(yōu)點之一是其極高的強度重量比（甚至比鋁更好，因為它們大約輕60-70%），從而可以制造非常耐用但重量輕的零件。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也往往很高，斷裂伸長率也很高，盡管PEI、PEKK和PEEK之間存在差異。

HPP與金屬的拉伸強度差異

鋁和普通HPP材料之間拉伸強度的差異（圖片來源：AON3D）

另一方面，金屬實際上根據(jù)所使用的金屬而有所不同。例如，鋁比許多其他金屬弱，但重量輕得多，這使其因其強度重量比而受到重視。另一方面，銅以其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能以及高延展性而聞名。鈦以其生物相容性而聞名，而鈷則因其強度和延展性而被使用。然而，應(yīng)該指出的是，這種變化本身就是一種優(yōu)勢：用戶可以選擇最能滿足其需求的質(zhì)量。

總的來說，不同之處在于金屬因其強度和剛性而受到重視。雖然這與標(biāo)準(zhǔn)聚合物相比很重要，但高性能聚合物具有可比的性能，并且通常比金屬密度低（使其更輕）。然而，正如我們已經(jīng)提到的，由于可用于增材制造的金屬范圍要廣泛得多，因此比高性能聚合物更容易選擇所需的性能。根據(jù)所使用的具體合金，金屬往往能夠承受更廣泛的溫度范圍。然而，制造金屬零件通常需要更多的能量和時間，因為最常見的工藝使用激光。

HPP和金屬3D打印

當(dāng)談到3D打印本身時，這就是我們看到HPP和金屬之間真正區(qū)別的地方。事實上，由于材料的性質(zhì)，所使用的工藝也不盡相同。事實上，與金屬兼容的增材制造技術(shù)比與高性能聚合物兼容的增材制造技術(shù)要多得多。

正如所解釋的，金屬有不同的形式，因此可以通過各種工藝使用。例如，對于金屬粉末，用戶可以使用激光粉末床技術(shù)，例如DMLS和EBM，這些技術(shù)對于需要堅固、細(xì)致和優(yōu)化以最大程度減輕重量的零件來說很受歡迎。同樣，集中能量沉積(DED)工藝（包括WAAM、EBAM和WAM等）使用金屬線或粉末來制造或修復(fù)非常大的金屬零件。還有粉末粘合，它使用粘合劑來制造零件。

多種金屬3D打印工藝使用激光

但它們到底有何不同呢？金屬增材制造技術(shù)中最重要的一組技術(shù)無疑是激光粉末床熔融工藝。顧名思義，這個組織總是使用激光和火藥。EBM是一個類似的過程，但使用電子束。DED還采用強大的熱源，例如激光、電子束或電弧，其工藝可與傳統(tǒng)焊接相媲美。這兩種工藝使得獲得電阻與制造零件相當(dāng)?shù)牧慵蔀榭赡堋?/span>

然而，有些工藝不涉及激光，即金屬擠壓和粉末粘合。在后者的情況下，噴射粘合劑，這使得可以將粉末粘合在一起。然而，由于其性質(zhì)，該技術(shù)需要在初始打印后進(jìn)行大量的進(jìn)一步處理，例如燒結(jié)。對于僅由某些公司提供的擠壓，金屬是用聚合物基體印刷的。在零件使用之前，必須對其進(jìn)行脫脂和燒結(jié)。

另一方面，雖然標(biāo)準(zhǔn)聚合物與多種增材制造工藝兼容，但高性能聚合物卻并非如此。事實上，這些材料使用的主要3D打印工藝是擠出，無論是長絲還是顆粒（盡管目前更多地使用長絲）。SLS也是可能的，但可用的解決方案要少得多。

然而，必須考慮到，與標(biāo)準(zhǔn)聚合物不同，高性能聚合物不容易打印。事實上，即使擠壓是主要工藝，也不是任何FDM或FGF 3D打印機都能勝任這項工作。相反，您應(yīng)該使用專為使用高性能熱塑性塑料而設(shè)計的打印機。這意味著它們?nèi)匀痪哂幸粋€封閉的室，能夠加熱到比更多標(biāo)準(zhǔn)模型更高的溫度，以及一個加熱的構(gòu)建床和噴嘴，也能夠達(dá)到使用這些類型的熱塑性塑料進(jìn)行打印所需的高溫（因為它們的熔點）明顯更高）。

采用高性能聚合物制造的零件通常通過擠出工藝生產(chǎn)（照片來源：miniFactory）

此外，由于PEEK和PEKK等半結(jié)晶聚合物的性質(zhì)，它們在熔化時可能不穩(wěn)定。這使得即使對于擁有先進(jìn)機器的專家用戶來說打印也變得困難，特別是因為所有高性能聚合物都容易變形。加入纖維（例如碳纖維，還有玻璃纖維或凱夫拉爾纖維）可以使材料更硬并在熔化時穩(wěn)定它們（由于熔點較低和“結(jié)晶速度較慢”）可以使印刷變得更容易。

打印困難可以被視為金屬和HPP之間的相似之處。這兩個系列的材料都需要大量的工作才能成功打印，特別是在密閉室和高溫下。但這對于金屬來說更加困難，因為機器必須放置在沒有氧氣的封閉室中，氧氣會在加工過程中與金屬發(fā)生反應(yīng)。為了防止這種情況發(fā)生，腔室中必須充滿惰性氣體，例如氬氣。此外，由于激光的使用和金屬的性質(zhì)，一些人認(rèn)為高性能聚合物更容易打印，因為通常需要采取的步驟較少。另一個例子是，激光粉床融合需要額外的安全措施和設(shè)備，包括口罩和防護(hù)服，以確保粉末不會進(jìn)入肺部或與皮膚接觸。

后期處理

后處理是我們在增材制造工藝中看到HPP相對于金屬具有優(yōu)勢的另一個領(lǐng)域。事實上，所有金屬工藝在獲得最終零件之前都需要進(jìn)行大量且強制性的后處理。我們談?wù)摕Y(jié)和熱處理工藝。這些可能會導(dǎo)致零件收縮——因此在設(shè)計階段應(yīng)牢記這一點以避免變形。

如果我們詳細(xì)討論，后處理的范圍從基于粉末的工藝的粉末去除到“致密化”零件所需的脫脂和燒結(jié)。還需要去除支撐材料（由于金屬的硬度，這比聚合物部件復(fù)雜得多）并執(zhí)行其他步驟來改進(jìn)部件，或者通過熱等靜壓和退火等熱處理來減少殘留物強調(diào)并改善某些特性；或通過表面精加工消除粗糙度并拋光最終零件。盡管后面的這些步驟也可用于高性能聚合物，但退火通常用于PEKK等材料，以最大限度地提高機械、耐熱和耐化學(xué)性能。

金屬3D打印中必須切割支撐件，并且通常需要進(jìn)一步加工

應(yīng)用領(lǐng)域

由于其優(yōu)越的性能，HPP和金屬的應(yīng)用在很大程度上重疊。例如，兩者都用于航空航天等行業(yè)，在這些行業(yè)中，堅固的高強度零件對于應(yīng)對大幅溫度變化和遵守安全關(guān)鍵零件法規(guī)至關(guān)重要。然而，值得一提的是，與金屬相比，HPP憑借其重量/強度比以及更輕的重量，開始證明自己。

這些相同的特性使這兩種材料在軸承保持架和管道配件等工業(yè)應(yīng)用中廣受歡迎，特別是在汽車和運輸領(lǐng)域。盡管鋁傳統(tǒng)上被用來制造從豪華車到賽車的各種零部件，但高性能聚合物由于其輕質(zhì)特性也越來越多地被使用。

醫(yī)療應(yīng)用也很重要，但應(yīng)注意的是，它們并不適合所有HPP或金屬。有些之所以被使用，是因為它們具有生物相容性。金屬中的鈦和聚合物中的PEEK就是這種情況。鈦的價值在于其生物相容性和對體液腐蝕的總體抵抗力，以及融入骨骼的能力。PEEK本身就很有趣，而且它的特性與人體骨骼非常相似，這使得這種材料對于植入物的3D打印特別有趣。

PEEK在許多不同的應(yīng)用中都很受歡迎。此外，由于其與骨骼的相似性，它非常適合植入物（照片來源：IEMAI）。

然而，正如您所看到的，這些材料系列的特性意味著兩者之間的應(yīng)用幾乎沒有差異。相反，它是關(guān)于單獨的材料及其提供的具體好處。例如，鈦在醫(yī)療應(yīng)用中的使用和鋁在汽車中的使用。然而，有一些特征使它們與眾不同。

對于需要輕量化的部件和腐蝕環(huán)境中的部件來說，聚合物始終是首選。此外，它們是有效的熱和電絕緣體，使其成為電氣應(yīng)用的理想選擇。另一方面，當(dāng)談到強度和重量不是一個因素時，許多金屬更合適。不可否認(rèn)的是，金屬提供了更多的材料選擇，這意味著更容易根據(jù)特定的性能或特性選擇所需的材料。此外，金屬具有導(dǎo)電性，雖然不適合需要絕緣的應(yīng)用，但卻是電氣元件和布線系統(tǒng)的真正資產(chǎn)。這也是創(chuàng)建傳感器或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備時要考慮的一個因素。

生產(chǎn)廠家及價格

HPP和金屬的價格明顯高于PLA、ABS和PETG等標(biāo)準(zhǔn)聚合物。例如，金屬的價格根據(jù)所使用的材料和類型（金屬絲、粉末等）而變化，但對于1公斤粉末來說，價格在70到700美元之間，特別取決于材料的專業(yè)性（鈷比鋼材貴得多）。相比之下，一公斤PEEK長絲線軸的成本將超過500美元，甚至更高，具體取決于材料的質(zhì)量和碳纖維的添加量。

并非所有高性能聚合物的價格都相同。每公斤PEI長絲的起價約為200美元，明顯低于PEEK，而PEKK也類似。請注意，許多金屬比高性能材料便宜，尤其是散裝金屬。

來源：3dnatives