探索3D打印高溫塑料的世界

魔猴君  行業資訊   1564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出許多可以在更高溫度下處理材料的工業級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境中使用。考慮一下汽車發動機中的塑料部件：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。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境下可以連續使用而保持良好的機械性能。

耐候性：優良的耐候性能，聚合物可用于制造工作環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生反應，因此使其適合需要暴露的特定應用，包括生物醫學應用。

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(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新的解決方案。在行業內，該聯盟正著眼于為新的PAEK聚合物牌號開發新的應用領域，有望為以航空航天行業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Arevo Labs利用創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項目旨在開發重量介于138 至 148 磅 (63-67 公斤)、或比現有標準發動機輕90磅 (41公斤)的全塑型四缸雙頂置式凸輪軸發動機。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揮索爾維先進聚合物技術的優勢，開發多達10種發動機部件。包括水泵、油泵、進水/出水口、節流閥、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，該平臺可用于優化打印部件的機械性能。

l  德國贏創(Evonik)

贏創在高性能聚合物開發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PEKK材料的先進應用和專有制造工藝以用于生物醫藥、航空航天、以及工業產品等，品牌以OXPEKK? 為業界熟知。

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、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，國產品牌中神馬實業是主要的國內生產廠家。3D打印領域，贏創、巴斯夫、湖南華曙高科是最活躍的廠家。

l 德國贏創(Evonik)

贏創在高性能聚合物開發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，可用于開發新的應用，特別是在交通運輸行業。

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，以替代金屬，以創造更輕、更便宜的部件。在SLS的加工環境中，PA6要求更高的加工溫度。特別是在汽車和消費品行業，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造出強烈的美學效果。

來源：3D科學谷