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哪些领域需要应用高性能塑料?满足工业级应用的高温FDM 3D打印技术

时间:2021-06-16 来源:远铸智能 作者:远铸智能 浏览量:596
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增材制造技术中的FDM技术类别,近年来处于非常混乱和模糊的状态:一方面是PLA材质的普及型打印机,仅用于基础外观评估的非测试应用;另一方面是工业级标准的测试级设备与材料应用,甚至使用FDM原理的金属材质打印。它们之间价格跨度是万元到百万元,仅靠目测两者的的区别:能摆在桌面上和重达1吨以上的体积区别,而内部更是设备成型仓的耐高温运动部件和运动控制软件、依据不同材料的重复精度保证等诸多的本质不同。

首先,在FDM这个统称下,最核心的不仅是高温密闭成型仓室和真实的工程塑料这两点区别。为了了解需要哪些材料才能产生耐用零件,我们从个人打印机到工业级打印进行一个归纳介绍。

一、PLA,25%ABS加PLA,PETG是普及型桌面式打印机使用的耗材但是这些远非高质量和工业应用级别的材料。

二、ABS、PC、尼龙、PPS、这些则是工业3D打印的高温FDM塑料序列,目前更延展至ULTEM、PEKK等高等级工程材料,这些高等级材料的成型精度与材料性能的同步保障是工业级设备的体现!

那么有哪些领域需要应用高性能塑料?

具有出色性能的塑料在航天领域中非常有用。当然还不能用于塑料打印火箭发动机,它的热稳定性还未达到如此高的水平,但是它非常适合制作周围的各种零件。另一个典型的案例是航空。飞机内饰与气密件领域应用的范围很大。为了减少零件的重量,在可能的情况下尽量改用塑料。当飞机制造涉及发动机部件或机身框架的细节时,可直接打印金属,但是到了负荷较小的结构元素(例如机舱通风和内饰部件)最好由高性能塑料制成。目前,主流航空公司们越来越多的接受这种趋势。

我们从天上回到地面:有趣的是工程塑料的其他性能。耐化学腐蚀性、耐高温、防静电、生物相容性等有可能使3D打印创建传统工艺无法获得的零件结构。与金属打印相比,塑料打印价格更低。打印的产品可更多地应用于医药、石油天然气工业以及化学工业领域。

与普通塑料的区别

为什么不将PLA发射到太空,而使用ULTEM材料制作飞机舱的通风板呢?工程塑料被应用于一系列与高温、低温、耐火、机械强度有关的要求。通常来说这些要求是一体的而非其中的一点。因此,当与PLA与环境相互作用时,燃烧和产生漂浮物是不可控的。目前,此类工程塑料实际上必须使用更高基本的FDM/FFF技术在工业打印设备中完成。

1.含聚碳酸酯的长丝

聚碳酸酯是工业上常用的塑料,具有高抗冲击性和透明性,也可满足FDM打印的需要。该材料比ABS更能保持温度,耐酸,但对紫外线辐射敏感,在石油产品的影响下分解。

2.纯聚碳酸酯,PC

聚碳酸酯产品的最高工作温度为130°C。聚碳酸酯具有生物惰性,其产品可以接受灭菌处理,这使您可以将其用于打印药品包装和配件。

3.PC-ABS

PC-ABS结合了ABS固有的耐磨性和韧性,具有更高的冲击性和工作温度。在低温下(最高-50°C)保持强度。与纯PC不同,它更适用于需要通过打磨或喷砂消除零件的分层结构的情况。应用方向:用于零件和小批量生产的外壳和控制元件,替换设备中的成批的塑料部件。

4.聚酰胺长丝

尼龙聚酰胺被用于合成纤维的生产,这是一种很受欢迎的打印材料,使用选择性激光烧结(SLS)进行打印。用FDM / FFF技术进行打印时,主要使用尼龙6(尼龙),尼龙66(尼龙)和尼龙12。尼龙基长丝的共同特征包括化学惰性和抗摩擦性。尼龙12比PA6和PA66更具柔韧性和弹性。最高工作温度100°C,个别最高可到120°C。首先,尼龙是用来打印齿轮的。为此目的的最佳材料,您可以使用它在带封闭相机的常规3D打印机上工作。耐磨性使您可以制造牵引力,凸轮,滑动衬套。在许多制造商的生产线中,都有基于尼龙的复合线材,具有更高的机械强度。

让我们进入有趣的部分

您可以在常规3D打印机上使用聚碳酸酯或聚酰胺。但是下面提到的线材对打印设备有着更高的要求,尤其是喷头温度和打印腔室温度,换句话说,您需要使用可以对高温塑料进行打印的工业级设备。

1.聚醚醚酮,PEEK

3D打印机

PEEK植入物用于治疗胡桃夹综合征,图源:唐都医院

聚醚醚酮(PEEK)被广泛认为是世界上性能优异的工程热塑性塑料之一,具有独特的耐化学性和高温力学性能。然而想要打印PEEK,打印设备的工作温度需要达到250°C,PEEK虽然价格高和抗冲击性中等,但是它耐高温、耐腐蚀、抗老化。PEEK常用于医疗设备和植入物,耐磨性使其能够打印出丰富的细节。

2.聚醚酰亚胺,PEI

3D打印机

Ultem1010 3D打印零件,来源:INTAMSYS

3D打印机

ltem9085 3D打印零件,来源:INTAMSYS

Ultem SABIC开发的塑料,虽然PEI的特性比PEEK的诸项指标略低,但成本要比PEEK低得多。航空航天行业对PEI的需求很大,与铝合金相比,其重量要小得多。产品的工作温度根据制造商的不同,最高可以达到217°C。PEI具有与PEEK相同的优势,耐化学性和耐高温,机械强度高。

3.聚苯砜,PPSF / PPSU

PPSU是一种无定形的热性塑料,具有高度透明性、高水解稳定性。兼具耐温性,机械强度和耐化学性的另一种材料。适于制作耐热件、绝缘件、减磨耐磨件、仪器仪表零件及医疗器械零件。关于复合长丝大多数用于FDM打印的材料都具有复合材料版本。比如,PLA,将金属或木材粉末添加到PLA中可以改变其美学特性。工程塑料用碳纤维增强,以增加零件的刚性。这些添加剂对塑料性能的影响不仅取决于其数量,而且取决于纤维的尺寸。如果说可以将细粉视为装饰性添加剂,纤维则已经明显改变了塑料的特性。

三、关于复合长丝

大多数用于FDM打印的材料都具有复合材料版本。比如,PLA,将金属或木材粉末添加到PLA中可以改变其美学特性。工程塑料用碳纤维增强,以增加零件的刚性。这些添加剂对塑料性能的影响不仅取决于其数量,而且取决于纤维的尺寸。如果说可以将细粉视为装饰性添加剂,纤维则已经明显改变了塑料的特性。

1.其他特定属性

工程塑料不仅具有耐高温性和机械强度。对于用于存储电子设备的外壳或盒子,以及在具有易燃挥发性液体的工作条件下,需要具有抗静电性能的材料。常规的ABS不耐紫外线辐射,这限制了它在户外没有保护性涂层的情况下的使用。作为替代方案,提出了ASA,除了优异的抗紫外线性外,其它特性与ABS相似。

2.金属的替代品

塑料可以在很多领域替代金属,因为它在轻度,隔热和电绝缘性,耐用性方面都超过了金属。但是,特殊合金和机械强度要求高的领域,目前最好的FDM材料的打印还不能达到金属产品的物理指标。

3.特殊工程塑料

总结一下。简而言之:上文所考虑的打印材料与具有较高打印温度的常规材料不同,这些都需要使用专用设备打印,并且所制造零件的耐热性和机械强度很高。为了使用这种线材,需要打印喷头的工作温度可达350°C且具有热稳定成型空间的工业级3D打印机,你作为个人爱好者或初级教育,可以使用桌面打印设备,它们不需要大多的专业知识,但如果你是一个工程师或依据生产型工程材料来定制部件的偏专业人士,请务必选择能满足你的工业级设备与对应材料,或与用此类设备来提供服务的综合服务的供应商。

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