滿足工業(yè)級應用的高溫FDM 3D打印技術

來源：形優(yōu)制件社

導讀：增材制造技術中的FDM技術類別，近年來處于非�,；靵y和模糊的狀態(tài)：一方面是PLA材質的普及型打印機,，僅用于基礎外觀評估的非測試應用,；另一方面是工業(yè)級標準的測試級設備與材料應用，甚至使用FDM原理的金屬材質打印,。它們之間價格跨度是萬元到百萬元,，僅靠目測兩者的的區(qū)別：能擺在桌面上和重達1噸以上的體積區(qū)別，而內部更是設備成型倉的耐高溫運動部件和運動控制軟件,、依據(jù)不同材料的重復精度保證等諸多的本質不同,。

在FDM這個統(tǒng)稱下，最核心的不僅是高溫密閉成型倉室和真實的工程塑料這兩點區(qū)別,。為了了解需要哪些材料才能產(chǎn)生耐用零件,，我們從個人打印機到工業(yè)級打印進行一個歸納介紹。

• PLA,，25%ABS加PLA,，PETG是普及型桌面式打印機使用的耗材但是這些遠非高質量和工業(yè)應用級別的材料。
• ABS,、PC,、尼龍、PPS,、這些則是工業(yè)3D打印的高溫FDM塑料序列,，目前更延展至ULTEM、PEKK等高等級工程材料,，這些高等級材料的成型精度與材料性能的同步保障是工業(yè)級設備的體現(xiàn),！
  

哪些領域需要應用高性能塑料？

具有出色性能的塑料在航天領域中非常有用,。當然還不能用于塑料打印火箭發(fā)動機,，它的熱穩(wěn)定性還未達到如此高的水平，但是它非常適合制作周圍的各種零件,。一個例子就是Stratasys和Atlas V.火箭的“氣候控制”項目,，打印16個塑料零件代替了140個金屬零件，實現(xiàn)更快,，更輕,，更經(jīng)濟。這可不是一個理論項目,，它已經(jīng)飛入太空,。

另一個例子是航空。飛機內飾與氣密件領域應用的范圍很大,。為了減少零件的重量,，在可能的情況下盡量改用塑料。當飛機制造涉及發(fā)動機部件或機身框架的細節(jié)時,，可直接打印金屬,，但是到了負荷較小的結構元素（例如機艙通風和內飾部件）最好由高性能塑料制成,。目前，主流航空公司們越來越多的接受這種趨勢,。

我們從天上回到地面：有趣的是工程塑料的其他性能,。耐化學腐蝕性、耐高溫,、防靜電,、生物相容性等有可能使3D打印創(chuàng)建傳統(tǒng)工藝無法獲得的零件結構。與金屬打印相比,，塑料打印價格更低,。打印的產(chǎn)品可更多地應用于醫(yī)藥、石油天然氣工業(yè)以及化學工業(yè)領域,。

與普通塑料的區(qū)別
為什么不將PLA發(fā)射到太空,，而使用ULTEM材料制作飛機艙的通風板呢？工程塑料被應用于一系列與高溫,、低溫,、耐火、機械強度有關的要求,。通常來說這些要求是一體的而非其中的一點,。因此，當與PLA與環(huán)境相互作用時,，燃燒和產(chǎn)生漂浮物是不可控的,。目前,此類工程塑料實際上必須使用更高基本的FDM/FFF技術在工業(yè)打印設備中完成。

含聚碳酸酯的長絲
聚碳酸酯是工業(yè)上常用的塑料,，具有高抗沖擊性和透明性,，也可滿足FDM打印的需要。該材料比ABS更能保持溫度,，耐酸,，但對紫外線輻射敏感，在石油產(chǎn)品的影響下分解,。

純聚碳酸酯,，PC

PC 3D打印零件，來源：形優(yōu)制件社

聚碳酸酯產(chǎn)品的最高工作溫度為130°C,。聚碳酸酯具有生物惰性,，其產(chǎn)品可以接受滅菌處理，這使您可以將其用于打印藥品包裝和配件,。

Stratasys PC,、 PC-ISO（Fortus打印機可用）。第一種是用于一般用途，第二種是經(jīng)過生物相容性認證的醫(yī)療用途,。

PC-ABS

PC-ABS 3D打印零件,，來源：形優(yōu)制件社

PC-ABS結合了ABS固有的耐磨性和韌性，具有更高的沖擊性和工作溫度,。在低溫下（最高-50°C）保持強度。與純PC不同,，它更適用于需要通過打磨或噴砂消除零件的分層結構的情況,。

應用：用于零件和小批量生產(chǎn)的外殼和控制元件，替換設備中的成批的塑料部件

聚酰胺長絲

nylon12 3D打印零件,，來源：形優(yōu)制件社

尼龍聚酰胺被用于合成纖維的生產(chǎn),，這是一種很受歡迎的打印材料，使用選擇性激光燒結（SLS）進行打印,。用FDM / FFF技術進行打印時,，主要使用尼龍6（尼龍），尼龍66（尼龍）和尼龍12,。尼龍基長絲的共同特征包括化學惰性和抗摩擦性,。尼龍12比PA6和PA66更具柔韌性和彈性。最高工作溫度100°C,，個別最高可到120°C,。
首先，尼龍是用來打印齒輪的,。為此目的的最佳材料,，您可以使用它在帶封閉相機的常規(guī)3D打印機上工作。耐磨性使您可以制造牽引力,，凸輪,，滑動襯套。在許多制造商的生產(chǎn)線中,，都有基于尼龍的復合長絲,，具有更高的機械強度。

Stratasys 尼龍6,，尼龍12,，尼龍12CF。后者為填充長絲碳纖維的復合材料

您可以在常規(guī)3D打印機上使用聚碳酸酯或聚酰胺,。下述長絲更為復雜,，它們需要使用其他擠出機打印并保持工作室內的溫度，也就是說,，您需要使用高溫塑料進行打印的專用設備,。不過也有例外，如在美國國家航空航天局（NASA），為了進行實驗,，他們對美國流行的Lulzbot TAZ進行了現(xiàn)代化改造,，以使用高溫燈絲。

聚醚醚酮,，PEEK

PEEK產(chǎn)品的工作溫度達到250°C,，可以短期加熱到300°C-增強長絲指示器。PEEK有兩個缺點：價格高和抗沖擊性中等,。其余的都是優(yōu)點,，自熄、耐熱,，具有化學惰性,。PEEK生產(chǎn)醫(yī)療設備和植入物，耐磨性使其能夠打印出機器的細節(jié),。

聚醚酰亞胺,，PEI

Ultem1010 3D打印零件，來源：形優(yōu)制件社

ltem9085打印的超高壓強電接頭,，來源：形優(yōu)制件社

Ultem SABIC開發(fā)的塑料,，PEI特性比PEEK指標略低，但成本要低得多,。Ultem 1010和9085是Stratasys的核心材料,，用于打印功能部件。航空航天行業(yè)對PEI的需求很大,，與鋁合金相比,，其重量要小得多。產(chǎn)品的工作溫度根據(jù)制造商的不同,，最高可以達到217°C,，根據(jù)Stratasys測試的結果可以達到213°C。

PEI具有與PEEK相同的優(yōu)勢,，耐化學性和耐高溫,，機械強度高。Stratasys推廣的正是這種材料,，它可以替代航空航天中的金屬,，用于無人機，成型工具的制造以及在試驗中快速打印功能部件,。在本報告開始時的示例,，針對空客客機的Atlas V火箭冷卻系統(tǒng)部件和塑料部件均由Ultem 9085制成。

聚苯砜,，PPSF / PPSU

兼具耐溫性,，機械強度和耐化學性的另一種材料。Stratasys PPSF已通過航空航天和醫(yī)療應用認證。定位為生產(chǎn)輔助醫(yī)療設備的原料,，可以在蒸汽高壓滅菌器中滅菌,。它用于化學工業(yè)中實驗室設備的零件制造。

PC-ISO
材料原色白色,，具有生物相容性（ISO 10993 USP VI）,，并且可以進行γ或EtO滅菌的材料。 通常用于食品和藥品包裝以及醫(yī)療器械制造,。材料的強度和醫(yī)療兼容性可用于概念建模,，功能原型設計和最終用途部件。該材料可用Stratasys Fortus系列設備進行打印,。

PC-ISO打印MRI線圈，來源：形優(yōu)制件社

材料參數(shù)比較

*在140°C下煅燒2小時

**無法獲得通過類似方法測試Apium PEEK 450自然,，沖擊測試結果,。

缺失，耐熱性被指定為未完成的PEEK,。
參數(shù)是Stratasys提供的數(shù)據(jù),，PEEK除外。如果指示值的范圍,，則沿著零件的各層進行測試,。

關于復合長絲

nylon12cf 打印的承重支架，來源：形優(yōu)制件社

大多數(shù)用于FDM打印的材料都具有復合材料版本,。如果我們談論PLA,，則將金屬或木材粉末添加到PLA中以改變其美學特性。工程塑料用碳纖維增強,，以增加零件的剛性,。這些添加劑對塑料性能的影響不僅取決于其數(shù)量，而且取決于纖維的尺寸,。如果可以將細粉視為裝飾性添加劑,，而纖維則已經(jīng)明顯改變了塑料的特性。材料名稱中的“碳”一詞并不意味著優(yōu)異的性能,，您需要查看測試結果,。例如：Stratasys Nylon12CF沿層測試時的拉伸強度幾乎是Nylon12的兩倍。

有一種特殊的選擇是Markforged公司實現(xiàn)的持續(xù)強化,。該公司提供增強纖維絲,，用于與其他塑料進行FDM聯(lián)合打印。

其他特定屬性

礦機用設備遙控器,，來源：形優(yōu)制件社

采用防靜電ABS-ESD7材料制作,，有效避免靜電火花引發(fā)的事故可能性

工程塑料不僅具有耐高溫性和機械強度。對于用于存儲電子設備的外殼或盒子，以及在具有易燃揮發(fā)性液體的工作條件下,，需要具有抗靜電性能的材料,。在Stratasys產(chǎn)品線中，ABS-ESD7與Nylon12 CF材料適用,。

常規(guī)的ABS不耐紫外線輻射,，這限制了它在戶外沒有保護性涂層的情況下的使用。作為替代方案,，提出了ASA,，除了優(yōu)異的抗紫外線性外，其它特性與ABS相似,。

金屬的替代品
塑料可以在很多領域替代金屬,，因為它在輕度，隔熱和電絕緣性,，耐用性方面都超過了金屬,。但是，特殊合金和機械強度要求高的領域,，目前最好的FDM材料的打印還不能達到金屬產(chǎn)品的物理指標,。

特殊工程塑料
總結一下。簡而言之：上文所考慮的打印材料與具有較高打印溫度的常規(guī)材料不同,，這些都需要使用專用設備打印,，并且所制造零件的耐熱性和機械強度很高。為了使用這種線材,，需要使用擠出機工作溫度為350°C且具有熱穩(wěn)定成型空間的工業(yè)級3D打印機,，你作為個人愛好者或初級教育，可以使用桌面打印設備,，它們不需要大多的專業(yè)知識,，但如果你是一個工程師或依據(jù)生產(chǎn)型工程材料來定制部件的偏專業(yè)人士，請務必選擇能滿足你的工業(yè)級設備與對應材料,，或與用此類設備來提供服務的綜合服務的供應商,。