可用于3D打印的PA12材料特性、打印問題以及后處理過程

導讀：尼龍（也稱為聚酰胺或 PA）是一種有彈性且堅固的材料，可以應用于運動服中，使紡織品更堅固。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，可以用于汽車的進氣歧管和電子設備的外殼。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)近一個世紀，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。尼龍由于熔點低而易于加工，在3D打印中具有很高的機械性能，該材料具有耐化學性、尺寸穩(wěn)定且不易發(fā)生應力開裂等特點，在功能原型以及最終用途部件（如夾具和固定裝置、備件、汽車部件、運動器材等）中得到廣泛應用。

接下來，南極熊將重點介紹尼龍變體PA12（而不是 PA11 或 PA6），以及如何使用其粉末形式進行3D打印。首先，讓我們一起來看看 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。聚合是一種化學過程，小分子（稱為單體）結合形成更大、更復雜的結構（稱為聚合物）。

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

PA12特性：
●強度、韌性和抗沖擊性
●耐磨
●耐化學腐蝕
●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 可以通過不同的制造工藝來制造。材料制造商還添加各種添加劑以滿足特定的性能要求，并且通常擁有 PA12 的專有配方。

一些材料制造商和供應商并不將其尼龍標識為 PA12（或 PA6 或 PA11），而是選擇將其命名為專有名稱。例如，DuraForm ProX PA 和 ProX HST 都是 3D Systems 開發(fā)的 PA12 材料，用于其選擇性激光燒結 3D 打印技術。ProX PA 是一種食品級尼龍，而 ProX HST 是該公司推薦用于高溫應用的材料。

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


△使用 Sinterit 的粉末和打印機打印 PA12 零件

還有回收 PA12 形式的“可持續(xù)”PA12，例如，PowderMonkey 品牌 rePA12 是翻新 PA12 與部分原始 PA12 的混合物，專為低功耗臺式 SLS 打印機而設計。某些 PA12材料具有“高可重復使用性”。例如，可以使用 60% 或更多的重復使用粉末，而不是 50% 重復使用的粉末與 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，因此請考慮 PA12 的具體配方及其所擁有的具體屬性，在使用前請查看材料的詳細介紹的技術數(shù)據(jù)表。

典型的 PA12 具有以下一般特性：

●極限拉伸強度最小/最大 (MPa)：43/50
●拉伸模量最小/最大 (MPa)：1550/1850
●斷裂伸長率最小/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，用戶也可以簡單地涂上油漆。

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 打印都會產(chǎn)生大量未使用或剩余的材料。幸運的是，PA12 可以多次熔化和再加工，而不會顯著降低其性能。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。在零件質量受到影響之前，相同粉末的重復使用次數(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)或符合認證標準，則可能只能使用 100% 原始粉末。然而，根據(jù)您的零件所需的機械特性，最多可以 100% 重復使用，但一般會保持60%-70% 的重復使用率。

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^程通常包括收集用過的尼龍 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型和品牌的 PA12 時才可能實現(xiàn)。通常，用戶可以將舊原型和失敗的打印件發(fā)送到工業(yè)回收設施。

PA12 打印故障排除


△SLS 打印機制造商 Sinterit 提供開放參數(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 打印機具有打印過程的設置調(diào)節(jié)功能，但它并不總是完美無缺的。一些 SLS 3D 打印機具有封閉的周邊，這意味著您無法調(diào)整設置，例如激光功率或床溫度。無論您擁有一臺“一勞永逸”的機器還是一臺開放的機器，您仍然會遇到打印問題。以下是一些最常見的問題和解決方案。

●粗糙：SLS 打印中的一個問題稱為“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粗糙且凹凸不平，通常與層對齊。當您要打印的層的邊緣在燒結區(qū)域和未燒結區(qū)域之間經(jīng)歷熱梯度并且它們往往會收縮時，就會發(fā)生這種情況。在許多層上，這會導致凹凸不平的偽像。遇到這種問題，需要在打印平臺上進行熱管理或不使用構建區(qū)域的整個體積，而是在中間區(qū)域進行打印。

●分層：當某些層未完全燒結到先前的層時，就會出現(xiàn)分層。這可能是激光的問題，更換或是清潔光學元件會有所幫助。

●翹曲：當打印床的溫度管理不到位，會出現(xiàn)零件偏離模型尺寸的問題。當構建室不允許正常冷卻或在構建室仍熱時拆開部件包裝時，也會發(fā)生翹曲。當打印過程中加熱不足時，也可能會發(fā)生這種情況，或者零件本身具有可變的壁厚或整體太細長。

●凹坑：當某些零件的幾何形狀導致冷卻不均勻時，例如內(nèi)部夾有粉末的大型零件，可能會出現(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高的癥狀。

后處理和表面處理 PA12


△PA12 零件使用 DyeMansion 的機器染色

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，然后裝回機器或儲存。然后使用刷子、噴氣機或滾筒清除零件上多余的粉末。

打印機用戶可以購買后處理自動化和重新混合粉末的機器，松散的 PA12 粉末無毒，但只要接觸松散的粉末，就應采取安全預防措施。如下圖所示的封閉式清潔站可以減少危險。


△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 可以滿足哪些表面光潔度？
PA12 從打印機中出來時具有粗糙的表面，這可能適合您的應用。如果不是，您還有其他選擇，其中一些可能需要額外的設備。

●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。各種油漆和涂料，包括底漆和透明涂料，都與 PA12 兼容。

●染色：通常對白色或淺灰色 PA12 進行染色，以便定制零件的顏色�？梢允褂眠m合聚酰胺材料的特定染料進行染色。

●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，當蒸汽光滑時（來自增材制造技術），灰色部件呈現(xiàn)出光滑的黑色表面。

●熱處理：可以對PA12零件進行熱處理以提高其機械性能。這可能涉及將部件暴露在高溫下一段受控的時間。

●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 PA12 零件或組件，可以使用超聲波焊接。該方法通過使用高頻振動在零件之間建立牢固的結合。

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

●緞面拋光：可采用機械或化學拋光方法來提高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 的專有配方在整個增材制造行業(yè)中很常見。一些打印機制造商已針對其機器對材料進行了微調(diào)，而其他制造商則已“認證”來自特定供應商的 PA12 粉末，可在其機器上使用。例如，F(xiàn)ormlabs 的 Fuse 1 不是開放材料打印機，因此 Formlabs 尼龍 12 是用戶唯一的選擇。不過，這可能是一件好事，因為實現(xiàn)預期結果所需的實驗和預測工作要少得多。

如果您擁有開放材料 3D 打印機，則可以貨比三家，選擇最適合您應用的 PA12。可以閱讀所有發(fā)布的材料數(shù)據(jù)表，或者更簡單的方法是訪問材料數(shù)據(jù)門戶之一，例如 Senvol。如果您對 PA12 材料特性并不重要，您可以從打印機制造商或打印機服務處訂購樣品零件，并進行自己的內(nèi)部測試。

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

對于 Multi Jet Fusion，只能從 HP 或其經(jīng)銷商之一獲取 PA12 材料。