可用于3D打印的PA12材料特性、打印問(wèn)題以及后處理過(guò)程

導(dǎo)讀：尼龍（也稱(chēng)為聚酰胺或 PA）是一種有彈性且堅(jiān)固的材料，可以應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服中，使紡織品更堅(jiān)固。由于其具有很好的耐磨性，可用于行李箱輪中；具有耐用、輕便且耐熱的特點(diǎn)，可以用于汽車(chē)的進(jìn)氣歧管和電子設(shè)備的外殼。尼龍 PA12 甚至具有生物相容性，因此它也被用于骨科產(chǎn)品中，例如 3D 打印石膏和支架。那么PA12到底是什么?可以用于哪種3D中？后處理過(guò)程有什么呢？別著急，南極熊將為您一一解答。



人們使用尼龍已經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)，它已成為3D打印中常用且可靠的材料，是增材制造中最常用的塑料材料。尼龍由于熔點(diǎn)低而易于加工，在3D打印中具有很高的機(jī)械性能，該材料具有耐化學(xué)性、尺寸穩(wěn)定且不易發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂等特點(diǎn)，在功能原型以及最終用途部件（如夾具和固定裝置、備件、汽車(chē)部件、運(yùn)動(dòng)器材等）中得到廣泛應(yīng)用。

接下來(lái)，南極熊將重點(diǎn)介紹尼龍變體PA12（而不是 PA11 或 PA6），以及如何使用其粉末形式進(jìn)行3D打印。首先，讓我們一起來(lái)看看 PA12 有吸引力的材料特性。

什么是PA12尼龍？


△由 3D Systems 的 PA12 材料制成的零件， DuraForm。

PA12 代表聚酰胺 12，它是一種屬于聚酰胺或尼龍家族的熱塑性聚合物。它是 12-氨基十二烷酸或月桂內(nèi)酰胺分子的聚合。聚合是一種化學(xué)過(guò)程，小分子（稱(chēng)為單體）結(jié)合形成更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為聚合物）。

PA12 具有 12 個(gè)分子并不一定比 3D 打印中另外兩種常見(jiàn)的尼龍 PA11 或 PA6 更強(qiáng)，但它確實(shí)賦予了它一些不同的特性。一般來(lái)說(shuō)，PA6 具有高強(qiáng)度和高剛度的特點(diǎn)，PA11具有柔韌性和耐化學(xué)性。PA12 的特性通常介于兩者之間，具有強(qiáng)度、韌性和耐化學(xué)性的平衡，這也使其成為最受歡迎的尼龍。

PA12特性：
●強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性
●耐磨
●耐化學(xué)腐蝕
●熱穩(wěn)定性
●尺寸穩(wěn)定性
●生物相容性

并非所有 PA12 都相同：

盡管 PA12 是指一種特定類(lèi)型的聚合物，但其配方和性能有許多變化。不同品牌的 PA12 可以通過(guò)不同的制造工藝來(lái)制造。材料制造商還添加各種添加劑以滿(mǎn)足特定的性能要求，并且通常擁有 PA12 的專(zhuān)有配方。

一些材料制造商和供應(yīng)商并不將其尼龍標(biāo)識(shí)為 PA12（或 PA6 或 PA11），而是選擇將其命名為專(zhuān)有名稱(chēng)。例如，DuraForm ProX PA 和 ProX HST 都是 3D Systems 開(kāi)發(fā)的 PA12 材料，用于其選擇性激光燒結(jié) 3D 打印技術(shù)。ProX PA 是一種食品級(jí)尼龍，而 ProX HST 是該公司推薦用于高溫應(yīng)用的材料。

PA12 添加劑通�？梢蕴岣呖棺贤饩�性或耐熱性、阻燃性和適印性。還有帶有增強(qiáng)材料的 PA12，例如添加碳纖維或玻璃纖維，以增強(qiáng)強(qiáng)度、剛度或尺寸穩(wěn)定性等機(jī)械性能。


△使用 Sinterit 的粉末和打印機(jī)打印 PA12 零件

還有回收 PA12 形式的“可持續(xù)”P(pán)A12，例如，PowderMonkey 品牌 rePA12 是翻新 PA12 與部分原始 PA12 的混合物，專(zhuān)為低功耗臺(tái)式 SLS 打印機(jī)而設(shè)計(jì)。某些 PA12材料具有“高可重復(fù)使用性”。例如，可以使用 60% 或更多的重復(fù)使用粉末，而不是 50% 重復(fù)使用的粉末與 50% 原始粉末。這節(jié)省了粉末使用量和總體成本。由于每種 PA12 都不相同，因此請(qǐng)考慮 PA12 的具體配方及其所擁有的具體屬性，在使用前請(qǐng)查看材料的詳細(xì)介紹的技術(shù)數(shù)據(jù)表。

典型的 PA12 具有以下一般特性：

●極限拉伸強(qiáng)度最小/最大 (MPa)：43/50
●拉伸模量最小/最大 (MPa)：1550/1850
●斷裂伸長(zhǎng)率最小/最大 (%)：15/25
●彎曲模量最小值/最大值：1510/1600
●部件密度（g/cm 3）：0.9
●肖氏硬度： 肖氏 D

PA12 通常為灰色或黑色，但也有白色，這是添加顏色的最佳選擇。這種材料很容易在后處理中著色，通常使用 DyeMansion 的著色機(jī)，用戶(hù)也可以簡(jiǎn)單地涂上油漆。

可持續(xù)發(fā)展和回收 PA12 尼龍


△Sculpteo 的 Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)使用 HP 的 PA12 材料

與任何粉末床融合工藝一樣，每次 3D 打印都會(huì)產(chǎn)生大量未使用或剩余的材料。幸運(yùn)的是，PA12 可以多次熔化和再加工，而不會(huì)顯著降低其性能。這意味著剩余的粉末可以全部扔回料斗并用于下一次打印，但并不總是不與一些新鮮的、未使用的粉末混合。在零件質(zhì)量受到影響之前，相同粉末的重復(fù)使用次數(shù)也是有限的。

如果要 3D 打印 PA12 零件，并將其用于受監(jiān)管行業(yè)或符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，則可能只能使用 100% 原始粉末。然而，根據(jù)您的零件所需的機(jī)械特性，最多可以 100% 重復(fù)使用，但一般會(huì)保持60%-70% 的重復(fù)使用率。

回收PA12 零件：

尼龍 PA12 通常是可回收的。然而，特定尼龍 PA12 產(chǎn)品的可回收性取決于多種因素，例如其配方和添加劑�；厥者^(guò)程通常包括收集用過(guò)的尼龍 PA12 產(chǎn)品，將其熔化，并將材料重新制成新產(chǎn)品，但這只有在回收相同類(lèi)型和品牌的 PA12 時(shí)才可能實(shí)現(xiàn)。通常，用戶(hù)可以將舊原型和失敗的打印件發(fā)送到工業(yè)回收設(shè)施。

PA12 打印故障排除


△SLS 打印機(jī)制造商 Sinterit 提供開(kāi)放參數(shù)，您可以在其 Sinterit Studio 軟件中調(diào)整這些參數(shù)

盡管 SLS 或 MJF 3D 打印機(jī)具有打印過(guò)程的設(shè)置調(diào)節(jié)功能，但它并不總是完美無(wú)缺的。一些 SLS 3D 打印機(jī)具有封閉的周邊，這意味著您無(wú)法調(diào)整設(shè)置，例如激光功率或床溫度。無(wú)論您擁有一臺(tái)“一勞永逸”的機(jī)器還是一臺(tái)開(kāi)放的機(jī)器，您仍然會(huì)遇到打印問(wèn)題。以下是一些最常見(jiàn)的問(wèn)題和解決方案。

●粗糙：SLS 打印中的一個(gè)問(wèn)題稱(chēng)為“橘皮”，這是一種表面光潔度打印偽影，其中光滑平坦的表面看起來(lái)粗糙且凹凸不平，通常與層對(duì)齊。當(dāng)您要打印的層的邊緣在燒結(jié)區(qū)域和未燒結(jié)區(qū)域之間經(jīng)歷熱梯度并且它們往往會(huì)收縮時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。在許多層上，這會(huì)導(dǎo)致凹凸不平的偽像。遇到這種問(wèn)題，需要在打印平臺(tái)上進(jìn)行熱管理或不使用構(gòu)建區(qū)域的整個(gè)體積，而是在中間區(qū)域進(jìn)行打印。

●分層：當(dāng)某些層未完全燒結(jié)到先前的層時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)分層。這可能是激光的問(wèn)題，更換或是清潔光學(xué)元件會(huì)有所幫助。

●翹曲：當(dāng)打印床的溫度管理不到位，會(huì)出現(xiàn)零件偏離模型尺寸的問(wèn)題。當(dāng)構(gòu)建室不允許正常冷卻或在構(gòu)建室仍熱時(shí)拆開(kāi)部件包裝時(shí)，也會(huì)發(fā)生翹曲。當(dāng)打印過(guò)程中加熱不足時(shí)，也可能會(huì)發(fā)生這種情況，或者零件本身具有可變的壁厚或整體太細(xì)長(zhǎng)。

●凹坑：當(dāng)某些零件的幾何形狀導(dǎo)致冷卻不均勻時(shí)，例如內(nèi)部夾有粉末的大型零件，可能會(huì)出現(xiàn)表面凹坑、凹痕或不規(guī)則現(xiàn)象，這也可能是打印床溫度過(guò)高的癥狀。

后處理和表面處理 PA12


△PA12 零件使用 DyeMansion 的機(jī)器染色

PA12 零件完成 3D 打印并冷卻后，即可從粉末床上拿出，這一步驟可以用手或機(jī)器完成。未使用的粉末被吸塵、篩分、以所需的比例與新鮮粉末重新混合，然后裝回機(jī)器或儲(chǔ)存。然后使用刷子、噴氣機(jī)或滾筒清除零件上多余的粉末。

打印機(jī)用戶(hù)可以購(gòu)買(mǎi)后處理自動(dòng)化和重新混合粉末的機(jī)器，松散的 PA12 粉末無(wú)毒，但只要接觸松散的粉末，就應(yīng)采取安全預(yù)防措施。如下圖所示的封閉式清潔站可以減少危險(xiǎn)。


△SLS 零件清潔站用于在零件從粉末床上取出后安全地清除零件上多余的 PA12 粉末。左邊是 Sintratec，右邊是 Formlabs 的新型 Fuse Blast。

PA12 可以滿(mǎn)足哪些表面光潔度？
PA12 從打印機(jī)中出來(lái)時(shí)具有粗糙的表面，這可能適合您的應(yīng)用。如果不是，您還有其他選擇，其中一些可能需要額外的設(shè)備。

●打磨和平滑：打磨 PA12 零件的表面可以幫助去除層線并形成更平滑的表面。打磨可以手動(dòng)或使用工具完成。

●噴漆和涂層： PA12 部件可以噴漆或涂層以添加顏色、提高美觀度并提供額外的保護(hù)。各種油漆和涂料，包括底漆和透明涂料，都與 PA12 兼容。

●染色：通常對(duì)白色或淺灰色 PA12 進(jìn)行染色，以便定制零件的顏色。可以使用適合聚酰胺材料的特定染料進(jìn)行染色。

●蒸氣平滑：蒸氣平滑涉及將 PA12 部件暴露于蒸發(fā)溶劑中，這有助于熔化印刷品的外層，減少層線并形成更平滑的表面光潔度。這可以大批量完成。


△PA12 易于噴漆，當(dāng)蒸汽光滑時(shí)（來(lái)自增材制造技術(shù)），灰色部件呈現(xiàn)出光滑的黑色表面。

●熱處理：可以對(duì)PA12零件進(jìn)行熱處理以提高其機(jī)械性能。這可能涉及將部件暴露在高溫下一段受控的時(shí)間。

●插入物和嵌入：金屬插入物（例如螺紋、磁鐵或其他組件）可以在打印期間或打印后嵌入或插入到 3D 打印的 PA12 零件中，以添加功能或裝配特征。

●超聲波焊接：為了連接多個(gè) PA12 零件或組件，可以使用超聲波焊接。該方法通過(guò)使用高頻振動(dòng)在零件之間建立牢固的結(jié)合。

●電鍍：在某些情況下，PA12 零件可以經(jīng)過(guò)電鍍工藝來(lái)涂上一層薄金屬涂層，從而增強(qiáng)其導(dǎo)電性、外觀或耐腐蝕性。

●緞面拋光：可采用機(jī)械或化學(xué)拋光方法來(lái)提高PA12零件的表面光潔度，降低粗糙度，提高清晰度。

PA12尼龍粉常用品牌
尼龍 12 的專(zhuān)有配方在整個(gè)增材制造行業(yè)中很常見(jiàn)。一些打印機(jī)制造商已針對(duì)其機(jī)器對(duì)材料進(jìn)行了微調(diào)，而其他制造商則已“認(rèn)證”來(lái)自特定供應(yīng)商的 PA12 粉末，可在其機(jī)器上使用。例如，F(xiàn)ormlabs 的 Fuse 1 不是開(kāi)放材料打印機(jī)，因此 Formlabs 尼龍 12 是用戶(hù)唯一的選擇。不過(guò)，這可能是一件好事，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果所需的實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)工作要少得多。

如果您擁有開(kāi)放材料 3D 打印機(jī)，則可以貨比三家，選擇最適合您應(yīng)用的 PA12。可以閱讀所有發(fā)布的材料數(shù)據(jù)表，或者更簡(jiǎn)單的方法是訪問(wèn)材料數(shù)據(jù)門(mén)戶(hù)之一，例如 Senvol。如果您對(duì) PA12 材料特性并不重要，您可以從打印機(jī)制造商或打印機(jī)服務(wù)處訂購(gòu)樣品零件，并進(jìn)行自己的內(nèi)部測(cè)試。

許多制造商都提供用于 SLS 的 PA12 粉末，比如化學(xué)公司（例如 Evonik）以及打印機(jī)制造商（例如 Prodways），這些制造商采用了現(xiàn)有材料并對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整，以使其在打印機(jī)上發(fā)揮最佳性能。

對(duì)于 Multi Jet Fusion，只能從 HP 或其經(jīng)銷(xiāo)商之一獲取 PA12 材料。