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探索3D打印高温塑料的世界

魔猴君  行业资讯   7天前

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  在过去的2-3年中,高温3D打印出现了惊人的增长,多年以来,大多数热塑性3D打印仅限于很小一部分热塑性塑料,主要是PLA和ABS,以及一些PETG。对于大多数台式设备而言,情况仍然如此,但是近几年来已经开发出许多可以在更高温度下处理材料的工业级3D打印设备那么这些高温塑料材料是什么?它们的特性是什么?如何在3D打印中使用它们?

Kerry Stevenson来源:Kerry Stevenson

block 与金属的应用相互交映

高温材料非常有用,因为它们可以在更多环境中使用。考虑一下汽车发动机中的塑料部件:如果暴露在足够高的温度下,它会变软甚至熔化。但是,如果它是由具有较高耐热性的材料制成的,则可以成为减轻汽车重量的友好解决方案。塑料零件通常比金属零件轻,这在很多方面都是有利的,尤其是在汽车和航空航天行业。因此,人们对这些高温3D打印零件非常热衷。

通常开放式台式3D打印机完全不足以3D打印高温材料,因为必须将所需的热量封闭并精确控制。根据3D科学谷的市场研究,市场上出现了一些专注于高温材料的3D打印机制造商,包括Roboze,INTAMSYS,Minifactory等。一些原来的制造商,例如Stratasys,EOS也提供高温热塑性材料打印功能,惠普voxeljet-维捷等则提供尼龙的高速3D打印功能。

block 高温塑料

l PEEK

该聚合物的化学名称为“聚醚醚酮”,实际上是PAEK家族的一部分,显然是1980年代英国Victrex发明的。它具有强大的耐用性,因此成为最受欢迎的高温3D打印材料之一,因此通常用于高应力应用。

聚醚醚酮(PEEK)具有以下方面的特性

耐高温性:PEEK具有较高的玻璃化转变温度(Tg=143℃)和熔点(Tm=334℃),其负载热变形温度高达316℃,长期使用温度为260℃,瞬时使用温度可达300℃。

自润滑性:PEEK具有良好的滑动特性,适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗用途的场合,特别是用碳纤维、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常优越。

耐腐蚀性:除浓硫酸外,PEEK不溶于任何溶剂,具有很高的化学稳定性。

阻燃性:PEEK具有自熄性,即使不加任何阻燃剂,可达到UL标准的94V-0级。

易加工性:由于PEEK具有较好的高温流动性,且热分解温度高的特点,可采用多种加工方式,比如注塑成型、挤出成型、模压成型及熔融纺丝等。

机械特性:PEEK具有良好的韧性和刚性,它具备与合金材料媲美的优良耐疲劳性。

电性能:PEEK有高的体积电阻率和表面电阻率,在宽广的温度范围及环境变化下可以承受各种频率的交流电位场强,保持良好的绝缘性能。

耐水解性:树脂及其复合材料不受水和高压水蒸气的化学影响,在高温及高压蒸汽或水环境下可以连续使用而保持良好的机械性能。

耐候性:优良的耐候性能,聚合物可用于制造工作环境要求严格或需要经常耐杀菌处理的组件。

l PEKK

化学名称“聚醚酮酮”,这种新兴的3D打印材料正变得越来越流行。PEKK与PEEK的不同之处不仅在于其名称,还因为它们具有许多共同的特性。但是,PEKK能够承受更大的压缩力,耐热性也往往比PEEK高。

l PEI

化学名称为“ Polyetherimide”,也可以以SABIC的商标“ ULTEM”找到。它是Stratasys提供的首批高温3D打印材料之一,可作为其Fortus设备的材料选件。尽管比PEEK便宜,但它的耐热性和强度也稍差,PEI通常用于航空航天应用。

l PPSU / PPSF

化学名称“聚苯砜”。这种材料具有很高的强度和耐化学性。包括Stratasys在内的多家公司提供这种材料选择。

l PAEK

化学名称“聚芳基醚酮”。这种材料是相对于高温3D打印空间而言相对较新的材料,但是它具有高达350C的极高的耐高温性,并且与其他高温材料相比,燃烧时产生的毒素更少。这使得它可以用于可能发生人体暴露的应用。

l PC

聚碳酸酯是指一类在其结构中整合了碳酸盐的聚合物。PC是一种非常流行的材料,因为它具有出色的耐用性以及很高的抗冲击性和耐刮擦性。因此,它通常用于消费产品。

l PA

聚酰胺是一种非常常见的3D打印材料,尽管可能很难证明它们是高温材料,因为与该清单上的其他材料相比,某些聚酰胺的玻璃化转变温度较低。PA有几种,通常用数字表示:PA-6,PA-11,PA-12,PA-66等。它们也被称为“尼龙”。

尼龙中的主要品种是尼龙6和尼龙66,占绝对主导地位,其次是尼龙11,尼龙12,尼龙610,尼龙612,另外还有尼龙 1010,尼龙46,尼龙7,尼龙9,尼龙13,新品种有尼龙6I,尼龙9T和特殊尼龙MXD6(阻隔性树脂)等,尼龙的改性品种数量繁多,如增强尼龙,单体浇铸尼龙(MC尼龙),反应注射成型(RIM)尼龙,芳香族尼龙,透明尼龙,高抗冲(超韧)尼龙,电镀尼龙,导电尼龙,阻燃尼龙,尼龙与其他聚合物共混物和合金等,满足不同特殊要求,广泛用作金属,木材等传统材料代用品,作为各种结构材料。

迄今为止,根据3D科学谷的市场研究,选择性激光烧结粉末床-SLS工艺、多射流熔化-MJF工艺、高速烧结-HSS工艺中使用最广泛的塑料是聚酰胺(PA)- 尼龙。尼龙比其他一些塑料(如ABS)更坚固,更耐用,虽然SLS设备厂商或其他3D打印技术设备制造商都提供某种形式的PA,但目前最基本的品种是PA11和PA12,当然也有许多类型的PA复合材料,包括玻璃增强尼龙、碳纤维增强尼龙,以提供某些附加的性质。

大多数PA烧结部件不能一次打印多种颜色,有一个例外是喷墨技术(例如MJF),可以将彩色墨水沉积到3D打印部件上,以创造充满活力的全彩色对象。

Part_HP_6黑格科技与惠普携手,利用PA 12材料打造的高度定制化的3D打印腕手康复支具,为PA12 材料的代表性应用。来源:惠普

l PVDF

化学名称“聚偏二氟乙烯”。这是3D打印的一种非常新的材料,目前仅由Minifactory等少数3D打印机制造商支持。PVDF的主要主张是,它几乎与其他材料完全不发生反应,因此使其适合需要暴露的特定应用,包括生物医学应用。

l TPI

热塑性聚酰亚胺似乎仅处于3D打印的研究阶段,TPI具有耐磨性,耐高温性和长期耐用性。它可能会成为将来3D打印的另一种材料。

block PEEK材料供应商

根据3D科学谷的市场研究,英国威格斯(Victrex)、比利时索尔维(Solvay)、德国赢创(Evonik)是全球三大PEEK生产商。

l  英国威格斯(Victrex)

威格斯正带领由多家公司和机构组成的联盟,投身于3D打印(增材制造或AM)创新。作为其关键角色的一部分,威格斯将以专用于增材制造工艺的新型化学配方设计为基础,开发高性能聚芳醚酮(PAEK)聚合物新牌号。

事实上,威格斯的PAEK聚合物已经在长丝熔融和粉料激光烧结的3D打印零件中得到应用,同时该公司还在积极开发新的解决方案。在行业内,该联盟正着眼于为新的PAEK聚合物牌号开发新的应用领域,有望为以航空航天行业为重点的增材制造技术带来革命性的变化。

l  比利时索尔维(Solvay)

索尔维的PEEK材料用于3D打印已经获得了一系列的成功案例,其中,传奇性汽车创新者Matti Holtzberg领导的Polimotor 2项目,配备了索尔维KetaSpire® 聚醚醚酮(PEEK)增强等级生产的3D打印燃油进气歧管。该产品由复合部件增材制造领先企业Arevo Labs利用创新性增强长丝融合技术制成。索尔维是这一极受期待的技术项目的主要材料赞助商。

用PEEK替代原来的铝制进气歧管可以减轻部件重量50%。专为Polimotor 2选定的材料是一种定制配方的增强等级KetaSpire® KT-820 PEEK 含有10%的碳纤维。KetaSpire® PEEK是索尔维性能最优异的聚合物之一,可以很好地耐受汽车工作液,并在高达240°C (464°F)的连续使用温度下,具有可靠的机械性能。这些品质使得该材料成为Polimotor 2燃油进气歧管极为理想的选择,因为在靠近活塞的进气部位温度达到150°C (302°F)。

Polimotor 2项目旨在开发重量介于138 至 148 磅 (63-67 公斤)、或比现有标准发动机轻90磅 (41公斤)的全塑型四缸双顶置式凸轮轴发动机。除了现有的燃油进气歧管产品外,Holtzberg这一革命性项目还将充分发挥索尔维先进聚合物技术的优势,开发多达10种发动机部件。包括水泵、油泵、进水/出水口、节流阀、油轨和其它高性能部件。有望采用的索尔维材料包括Amodel® 聚肽酰胺树脂(PPA)、 AvaSpire® 聚芳醚酮 (PAEK)、 Radel® 聚苯碸(PPSU)、 Ryton® 聚苯硫醚 (PPS)、 Torlon® 聚酰胺-酰亚胺(PAI)和Tecnoflon® VPL氟橡胶。

与传统长丝融合3D打印工艺类似,Arevo技术将聚合物长丝依次往上或沿着长度方向堆叠,最终形成复杂的形状。这样可以快速地将数字化设计的产品快速加工成功能部件,节省了先制造模具,再进行原型制造的时间和成本。但是,Arevo公司的增强长丝融合技术平台具有独特的能力,可以打印增强PEEK聚合物。与Arevo的工艺控制软件相结合,该平台可用于优化打印部件的机械性能。

l  德国赢创(Evonik)

赢创在高性能聚合物开发与生产方面拥有超过40年的丰富经验。其多元化的产品组合包含几乎所有工业应用的解决方案。因此,集团是全球PEEK市场上客户长期合作的可靠伙伴。

凭借极为出色的耐热性与耐化学性,赢创VESTAKEEP®特殊聚合物可替代金属部件,满足轻量化结构件应用的需求。

VESTAKEEP® Easy Slide I是一款PEEK改性产品,具有优越的耐磨性与较低的滑动摩擦,能够用于生产体积更小且更为强韧的结构部件,例如真空泵。而VESTAKEEP® 5000 HCM(热压成型)级产品能够提高定制PEEK密封件的生产效率,使这些应用于石油天然气行业的密封件具有出色的机械特性和卓越的表现。

l 美国牛津性能材料OPM

自1999年以来,美国牛津性能材料(OPM)公司就一直在开发PEKK材料的先进应用和专有制造工艺以用于生物医药、航空航天、以及工业产品等,品牌以OXPEKK® 为业界熟知。

美国牛津性能的PEKK材料是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性,以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物”。由于具有这些令人印象深刻的特性,OPM将其与3D打印能够制造具有独特几何形状的物体的能力相结合,专门针对航空航天、运送、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。

牛津性能材料(OPM)已被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件,OPM已经开始出货OXFAB材料打印的零部件。CST-100火箭飞船被设计为可运输多达七名乘客,或混合船员和货物,在低地球轨道运行–这个火箭飞船隶属于NASA的商业乘员计划合作项目。

block  尼龙材料供应商

国际上主要的尼龙厂家包括道化学、巴斯夫、沙特基础化学、罗地亚、朗盛、DSM、赢创、阿柯玛、Invista、EMS。我国的尼龙市场处于供不应求的依赖进口的状态,国产品牌中神马实业是主要的国内生产厂家。3D打印领域,赢创、巴斯夫、湖南华曙高科是最活跃的厂家。

l 德国赢创(Evonik)

赢创在高性能聚合物开发与生产方面拥有超过40年的丰富经验。其多元化的产品组合包含几乎所有工业应用的解决方案。因此,集团是全球尼龙市场上客户长期合作的可靠伙伴。

赢创生产阻燃PA12,以及新的橡胶类材料和PA613,它结合了耐高温,高伸长率和高刚度,可用于开发新的应用,特别是在交通运输行业。

除了配合SLS工艺,针对于惠普的MJP设备,到目前为止,Evonik已经开发了聚酰胺(PA)12粉末和PA-11粉末材料。

l 德国巴斯夫(BASF)

巴斯夫还在开发用于粉末床技术的3D打印材料。Ultrasint PA6 LM X085是一种新型材料,用于选择性激光烧结(SLS)工艺。它是一种灰色的聚酰胺-6型粉末,熔点在193摄氏度左右,制造的部件以高刚度和高强度为特征,而且很容易在最常用的SLS机器上进行加工。

PA6是一种强大的尼龙,用于汽车和电子行业,以替代金属,以创造更轻、更便宜的部件。在SLS的加工环境中,PA6要求更高的加工温度。特别是在汽车和消费品行业,目前用户大多局限在尼龙PA11和PA12之间选择。

巴斯夫用于SLS激光烧结工艺的Ultrasint PA6粉末提高了耐温性,提供了更高的强度和模量,以及抗爆破和压力性能。

l  湖南华曙(Farsoon)

湖南华曙推出了一系列的尼龙材料,其中尼龙材料FS3200PA Nylon Powder,适合机械性能和韧性要求高的产品,零部件制造或利用粘结剂制造的大型件,复杂件与塑料模型,汽车输油管、刹车管等。

材料方面,华曙高科还与Prodways合作,以推广尼龙材料在海外的市场占有率。

l 意大利Windform

意大利的CRP Technology的Windform聚酰胺材料为SLS激光烧结技术产生了需要卓越的机械和美学特性的全球产品,而且他们的塑料产品可以被CNC机床进行加工。Windform材料的名称由来就是因为这种材料最初被用于赛车的快速制造,用来制造风洞测试的零部件。

Windform材料不同寻常的特点是这些基于聚酰胺的复合材料为3D打印打开了塑料领域的更大潜力,通过碳纤维或玻璃纤维增强,这些零件具备了重要的机械性能。

这使得Windform材料在汽车领域不仅被广泛用于制造结构件,而且在零件的实现上创造出强烈的美学效果。

来源:3D科学谷

   

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