滿足工業(yè)級應(yīng)用的高溫FDM 3D打印技術(shù)

來源：形優(yōu)制件社

導(dǎo)讀：增材制造技術(shù)中的FDM技術(shù)類別，近年來處于非常混亂和模糊的狀態(tài)：一方面是PLA材質(zhì)的普及型打印機，僅用于基礎(chǔ)外觀評估的非測試應(yīng)用；另一方面是工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的測試級設(shè)備與材料應(yīng)用，甚至使用FDM原理的金屬材質(zhì)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(nèi)部更是設(shè)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(fù)精度保證等諸多的本質(zhì)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(zhì)量和工業(yè)應(yīng)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(shè)備的體現(xiàn)！
  

哪些領(lǐng)域需要應(yīng)用高性能塑料？

具有出色性能的塑料在航天領(lǐng)域中非常有用。當(dāng)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(nèi)飾與氣密件領(lǐng)域應(yīng)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(dāng)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(fù)荷較小的結(jié)構(gòu)元素（例如機艙通風(fēng)和內(nèi)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(xué)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(jié)構(gòu)。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(yīng)用于醫(yī)藥、石油天然氣工業(yè)以及化學(xué)工業(yè)領(lǐng)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(fēng)板呢？工程塑料被應(yīng)用于一系列與高溫、低溫、耐火、機械強度有關(guān)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(dāng)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(shù)在工業(yè)打印設(shè)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(rèn)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(jié)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(jié)構(gòu)的情況。

應(yīng)用：用于零件和小批量生產(chǎn)的外殼和控制元件，替換設(shè)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(jié)（SLS）進行打印。用FDM / FFF技術(shù)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(xué)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(fù)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(fù)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(fù)雜，它們需要使用其他擠出機打印并保持工作室內(nèi)的溫度，也就是說，您需要使用高溫塑料進行打印的專用設(shè)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?zé)艚z。

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(xué)惰性。PEEK生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)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(biāo)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(jié)果可以達到213°C。

PEI具有與PEEK相同的優(yōu)勢，耐化學(xué)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(xué)性的另一種材料。Stratasys PPSF已通過航空航天和醫(yī)療應(yīng)用認(rèn)證。定位為生產(chǎn)輔助醫(yī)療設(shè)備的原料，可以在蒸汽高壓滅菌器中滅菌。它用于化學(xué)工業(yè)中實驗室設(shè)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(shè)計和最終用途部件。該材料可用Stratasys Fortus系列設(shè)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(jié)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(guān)于復(fù)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(fù)合材料版本。如果我們談?wù)揚LA，則將金屬或木材粉末添加到PLA中以改變其美學(xué)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(jié)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(shè)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(shè)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(lǐng)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(lǐng)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(biāo)。

特殊工程塑料
總結(jié)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(shè)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(shè)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(wù)必選擇能滿足你的工業(yè)級設(shè)備與對應(yīng)材料，或與用此類設(shè)備來提供服務(wù)的綜合服務(wù)的供應(yīng)商。