高性能3D打印材料指南（一）
魔猴君 知識堂 394天前
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。
今天魔猴網整理了幾種 3D 打印高性能聚合物相結合所獲得的獨特屬性。
采用 PEEK、PAEK、PEKK 或 PEI 等高溫材料 3D 打印的工業組件需要高溫 3D 打印機（來源：3DGence）
從航空航天到汽車再到醫療保健，越來越多的行業正在使用3D打印技術打印需要特定性能的終端零件。對于結構部件、設備備件、醫療植入物和工廠模具來說，3D 打印正促使它們從金屬轉向非金屬。事實上，高性能聚合物在越來越多的應用中被證明優于金屬部件，因為它們比金屬部件更輕，生產成本更低，生產速度更快。
3D打印聚合物部件通常更耐用；更耐腐蝕、耐化學腐蝕和耐熱；在高溫或零度以下具有更高的沖擊強度；與金屬相比，具有更高的電絕緣性和噪音抑制性。聚合物還可以進行定制，制造出金屬通常無法實現的形狀，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 "一詞并不是一個科學的分類，對于包括哪些聚合物的說法也不盡相同。您可能會聽到工程級、技術聚合物或高性能塑料等術語，指的是比最常見的 3D 打印材料（如 PLA 和 ABS）具有更高強度、純度、剛度、耐磨性和耐化學性的材料。
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的聚合物以及品牌復合材料。
一般來說，高性能塑料在高溫、高壓和腐蝕性化學品等惡劣環境下仍能保持理想的機械、熱和化學特性。換句話說，它們不會彎曲、翹曲、開裂或分裂。
二、高性能塑料有什么用途？
電動賽車 E0711-11 EVO 包含 90 多個使用 Intamsys 3D 打印機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、玻璃或大規模生產的部件（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環境不可持續的金屬的替代品，它們具有抗氧化、抗腐蝕和抗化學污染的特性。它們對熱的反應也不同于金屬，這在從醫療植入物到電機的各種應用中都是一個優勢。
讓我們來看幾個具體的例子。
賽車運動中的快速原型制造
在一個依賴于多次實驗設計迭代的行業中，能夠快速打印出實際經受住功能測試的原型部件，能讓賽車隊更快地進行創新。此外，由于材料的非導電性，更多最終使用的高性能 3D 打印部件正在進入賽道和電動賽車。
最近的一個例子是摩托車賽車隊 Ducati Corse 使用 3D 打印高性能材料為 Ducati Panigale V4 R 超級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 700oC，通常是通過手工層壓模具中的碳纖維預浸料制成的。通過與 3D 打印機制造商 Roboze 合作，該團隊以更快的速度用碳-PEEK 3D 打印出了該部件，并完全省去了模具階段。
"Ducati Corse 車輛動力學和設計經理 Riccardo Savin 說："得益于 Roboze 用于超級聚合物和復合材料的 3D 打印技術，我們能夠大大加快具有驚人機械性能的空氣動力學部件的生產速度。
制造一級方程式賽車的邁凱輪車隊與 3D 打印機制造商 Stratasys 合作，用碳纖維增強尼龍 12 材料生產空氣動力鏟和葉片。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，同時還將相關成本降低了約 25%。在另一個案例中，與傳統制造工藝相比，3D 打印前制動導管的交付周期縮短了 60%，成本降低了 85%。
"使用增材制造技術，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。更少的時間、更少的人員、更少的材料、更少的浪費，"邁凱輪設計與開發總監尼爾-奧特利（Neil Oatley）總結道。
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）
航空航天領域的輕量化
用堅固的高性能塑料部件代替金屬部件，可顯著降低飛機、航天器和衛星的重量，從而提高燃料和尺寸效率。高性能塑料與創造性設計相結合，可制造出材料用量更少但強度高于鋁的部件，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。
事實上，3D 打印的 PEEK 部件（由 Orion AM 打印）將于 2023 年 4 月登陸月球，作為研究各種材料在惡劣的月球環境中如何發揮作用的一部分。之所以選擇 PEEK，是因為它足夠堅固，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境。
快速生產模具和工具
3D 打印復雜的注塑模具和模具，尤其是用于獨特或短期生產的模具和模具，與數控銑削相比，成本更低，速度更快。此外，快速三維打印還不會造成材料浪費，使制造商能夠為客戶提供更多定制選項。
制造商們發現，在機床組裝工藝中，高性能塑料完全可以與金屬相媲美，而且它們可以在內部或 3D 打印服務機構中以更快的速度打印出來，價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3D打印部件，實現了概念車的輕量化（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定制設計的植入物，以滿足患者的特定需求。與銑削加工相比，增材制造生產這些部件的速度更快，材料浪費更少。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 公司生產的最新一代無骨水泥髖關節假體可永久用于貓狗。該創新技術的核心是由贏創的 Vestakeep PEEK 生物材料制成的摩擦片（來源：KYON）
管道和水處理系統
堅固的高性能聚合物可以在加壓熱水應用中替代黃銅，并通過消除重金屬的腐蝕和污染并提供更可持續的材料解決方案，與金屬相比具有明顯的優勢。其出色的抗氧化性為需要持續暴露于熱氯化水或海水的應用提供持久、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行打印
當今先進的工業三維打印機消除了使用先進材料打印時的大量試驗和錯誤（來源：AON3D）
當然，要在最終部件中獲得所需的特性，就必須正確打印。對于高性能材料，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容有關，例如打印壁的厚度和打印層的高度。
但不要因為高性能材料的技術要求而氣餒。事實上，如今的高溫工業三維打印機已經自動完成了大量的打印工作，而且許多公司會與您合作，就如何使用高性能材料進行打印提供建議。Stratasys、Roboze、Aon3D 等打印機制造商已經在他們的機器上使用高性能材料打印了數百個小時，他們可以通過為機器推薦理想的打印參數，讓您避免浪費時間和昂貴的材料。
最佳工業 FDM 3D 打印機
如果您的打印機不是專門為高性能材料設計的，那么您需要進行更多的實驗才能獲得高質量的打印效果。如果您的打印機不能保持高于 300 oC 的穩定熱端溫度、高于 100 oC 的穩定床層溫度以及高于 90 oC 的主動加熱室溫度，那么高性能材料只會給您帶來挫敗感。
材料的準備和養護也至關重要。高性能聚合物需要保存在受控環境中，加工前通常需要長時間干燥。
在尋求打印部件的最佳結果時，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 打印的工業零件（來源：Intamsys）
在選購高性能材料時要注意的一點是，您制作的最終部件是否會用于受管制的行業。雖然 PPSU 具有生物相容性，但并不意味著所有的 PPSU 長絲都經過醫學生物相容性認證和批準。個別材料制造商必須將其特定材料提交監管機構審批，因此請務必檢查您的長絲品牌是否具有這些認證。
例如，蘇威 Radel PPSU 長絲已獲得 FDA 批準，可用于 24 小時皮膚接觸的醫療保健應用，但并非所有 PPSU 長絲都獲得 FDA 批準。
最安全的做法是與耗材公司合作，進一步了解其材料的特性、用途和批準的經銷商。
編譯整理：ALL3DP
