高性能聚合物與金屬：選擇哪種3D打印材料？

魔猴君  知識堂   161天前

說到3D打印，材料至關重要。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生重大影響。了解哪種材料最好是創建零件的關鍵步驟，因為從支撐結構的使用到收縮問題和最終零件的性能，設計都會受到影響。但是，當兩組完全不同的材料都可以用于先進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。雖然大多數金屬都存在于自然界中（當然合金除外），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性質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術語。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期用途，因為每種金屬都有不同的特性。

根據金屬形狀的不同，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（也發現了一些粉末），但金屬提供了更多選擇。例如，金屬當然可以是粉末形式，但也可以是細絲形式（通常是與聚合物基質的復合材料）、線材甚至納米顆粒。這當然對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打印中的關鍵在于它們都具有令人難以置信的機械、熱和化學性能。事實上，高性能熱塑性塑料可與大多數金屬相媲美，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材料以其優異的耐化學品、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，銅以其導電和導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，應該指出的是，這種變化本身就是一種優勢：用戶可以選擇最能滿足其需求的質量。

總的來說，不同之處在于金屬因其強度和剛性而受到重視。雖然這與標準聚合物相比很重要，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

當談到3D打印本身時，這就是我們看到HPP和金屬之間真正區別的地方。事實上，由于材料的性質，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比與高性能聚合物兼容的增材制造技術要多得多。

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，例如DMLS和EBM，這些技術對于需要堅固、細致和優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？金屬增材制造技術中最重要的一組技術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，其工藝可與傳統焊接相媲美。這兩種工藝使得獲得電阻與制造零件相當的零件成為可能。

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，該技術需要在初始打印后進行大量的進一步處理，例如燒結。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，必須對其進行脫脂和燒結。

另一方面，雖然標準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，與標準聚合物不同，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，您應該使用專為使用高性能熱塑性塑料而設計的打印機。這意味著它們仍然具有一個封閉的室，能夠加熱到比更多標準模型更高的溫度，以及一個加熱的構建床和噴嘴，也能夠達到使用這些類型的熱塑性塑料進行打印所需的高溫（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（照片來源：miniFactory）

此外，由于PEEK和PEKK等半結晶聚合物的性質，它們在熔化時可能不穩定。這使得即使對于擁有先進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定它們（由于熔點較低和“結晶速度較慢”）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生反應。為了防止這種情況發生，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，一些人認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備，包括口罩和防護服，以確保粉末不會進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相對于金屬具有優勢的另一個領域。事實上，所有金屬工藝在獲得最終零件之前都需要進行大量且強制性的后處理。我們談論燒結和熱處理工藝。這些可能會導致零件收縮——因此在設計階段應牢記這一點以避免變形。

如果我們詳細討論，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。還需要去除支撐材料（由于金屬的硬度，這比聚合物部件復雜得多）并執行其他步驟來改進部件，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、耐熱和耐化學性能。

金屬3D打印中必須切割支撐件，并且通常需要進一步加工

應用領域

由于其優越的性能，HPP和金屬的應用在很大程度上重疊。例如，兩者都用于航空航天等行業，在這些行業中，堅固的高強度零件對于應對大幅溫度變化和遵守安全關鍵零件法規至關重要。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應用中廣受歡迎，特別是在汽車和運輸領域。盡管鋁傳統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特性也越來越多地被使用。

醫療應用也很重要，但應注意的是，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用幾乎沒有差異。相反，它是關于單獨的材料及其提供的具體好處。例如，鈦在醫療應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，使其成為電氣應用的理想選擇。另一方面，當談到強度和重量不是一個因素時，許多金屬更合適。不可否認的是，金屬提供了更多的材料選擇，這意味著更容易根據特定的性能或特性選擇所需的材料。此外，金屬具有導電性，雖然不適合需要絕緣的應用，但卻是電氣元件和布線系統的真正資產。這也是創建傳感器或生物醫學設備時要考慮的一個因素。

生產廠家及價格

HPP和金屬的價格明顯高于PLA、ABS和PETG等標準聚合物。例如，金屬的價格根據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