魔猴网数字化制造简明手册（三）：了解基本的材料
魔猴君 知识堂 355天前
这一章，魔猴网将和大家一起
1.了解热塑性塑料、热固性塑料和光敏聚合物（光敏树脂）
2.了解塑料和类塑料材料
3.了解硬金属和软金属材料
4.选择合适的工艺
数字化制造技术包含可以加工多种材料的不同工艺。 为了选择最合适的材料来生产您的零件，您需要了解哪些材料可用于哪些工艺以及这些材料的一些特性。 本章魔猴网着眼于基本的几种不同的材料类别，不仅可以帮助您了解有哪些可能的材料选项，还可以帮助您了解哪些材料是最适合您的需求。
了解热塑性塑料、热固性塑料和光敏聚合物（光敏树脂）
在 1967年的美国电影《毕业生》中，达斯汀·霍夫曼饰演的男主被告知塑料是一个很有前途的行业。 男主是否认同这个看法我们无从得知，但五十多年过去了，我们现在已经知道制造行业肯定是认同了此看法，现在塑料在制造业被广泛使用，包括多种类型的塑料及类塑料，覆盖了几乎所有的工业类别，而且已经变为我们的生活中不可分割的一部分。
对于新手外行来说，塑料有很多不同类型，到底不同塑料之间有什么区别和联系呢？这种困惑通常是因为以下几个原因：
✓ 对材料结构和性能之间的关系没有概念。
✓ 产品材料的性能通常没有被足够的重视，没有被分配足够的时间和精力。
✓ 即使克服了上述两个障碍，也很难找到准确的材料属性数据。
为您的产品选择合适的材料会涉及到将各种来源的数据，每个来源的数据有可能不完整，有重叠有冲突，您需要把这些各不完整，甚至相互毛肚的材料性能数据整合在一起。 对一种材料，最主要应该看它的材料数据表（MDS，Material Data Sheet），一个中肯的建议是您应该尽可能从该表中获取尽可能多的信息。 有时也可以从各个材料供应商发布的设计手册和应用说明中获得更详细的信息，用来可以填补材料数据表中的空白。 完整详尽的材料信息一般是高性能工程和特种材料才会有（为显示性能的优越性），而常见的一些商品材料可能会有信息缺失。 如果您真的需要了解一个材料，你除了查找资料之外，可能还需要做一些试验和测试工作。
热塑性塑料
热塑性塑料是一种在一定温度以上变软，变得可模塑，然后在冷却时固化，并且这一过程往返重复，所以热塑性塑料通常用于注塑成型，也一般都可以再次回收利用。
热塑性塑料在加热时发生的情况用专业术语讲就是是相变。 材料经历相变的一个非常常见的例子是水在零度以下会变成冰，冰在零度以上会变为水。 低于这个相变温度，材料是固态，高于这个温度，材料是液态。
一些常见的热塑性塑料
✓乙缩醛 Acetal，也称为 Delrin
✓ 亚克力(Acrylic,PMMA,Polymethyl methacrylate）
✓ 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS，Acrylonitrile butadiene styrene)
✓ 尼龙 Nylon (PA,Polyamide)
✓ 聚碳酸酯 (PC Polycarbonate )
✓ 聚乙烯 (PE Polyethylene )
✓ 聚乳酸 (PLA, Polylactic acid )
✓ 聚丙烯 (PP, Polypropylene )
✓ 聚苯乙烯 (PS,Polystyrene )
✓ 聚四氟乙烯 (PTE,Polytetrafluoroethylene)，也称为 Teflon
✓ 聚氯乙烯 (PVC,Polyvinyl chloride )
热固性塑料
热固性这个名称可能看起来有点令人困惑，尤其是与热塑性塑料相比（参见上一节）。 热固性材料是一种不可逆固化的材料，而不是加热可以重新软化的材料。 记住这两种塑料区别最简单方法可能是，热塑性塑料加热可逆，而热固性塑料则是永久变形。
热固性材料根据材料的成分不同，可以通过化学反应固化或辐射固化。 液态硅胶是一种常见得可模塑的热固性材料。
热固性材料通常比热塑性材料更强固，也可以用于各种成型工艺。
常见的热固性塑料有：
✓电木
✓ 环氧树脂
✓ 三聚氰胺
✓ 聚氨酯（也存在于热塑性塑料中，但较少见）
✓ RTV 硅胶
✓ 硅橡胶
光敏聚合物
光敏聚合物是一种塑料，液态未固化前多称为光敏树脂，光敏树脂在光照时会改变其特性，发生固化反应。 这些塑料通常使用紫外线固化，并且固化速度非常快。 光敏树脂通常用于3D 打印及类似工艺（如UV打印等）。光敏聚合物往往比其他类型的塑料更脆，并且在暴露于阳光或高湿度时通常不稳定。与热固性材料一样，光敏聚合物也经历了一个不可逆的固化过程，一旦固化就不能再软化。 当用于3D打印等工艺时，光敏树脂会逐层固化。 通常通过一个UV 激光头在树脂上绘制（和固化）一层零件，然后将工作台下降一层的高度， 然后再绘制下一层并固化，该过程不断进行，直到整个零件形成。
光敏树脂是数字制造中的重要的原材料之一，人们开发了很多光敏树脂用来制作具有一定特性的光聚合物。
比较塑料和类塑料
从技术角度来看，并非所有看似塑料的东西就都是塑料。 热固性塑料和光敏聚合物的性能行为与真正的“塑料”不同，虽然对普通人来说分不清楚很正常。但如果您想成为一个专家，又或者只是有兴趣稍微多了解一些，比较塑料和类似塑料还是很有趣的。
立体光刻（一种常用的增材制造工艺，可以简称为 SLA）原材料是光敏树脂而不是热塑性塑料，因此在一些关键特性上是不同于普通的工程级树脂。 尽管如此，这些类塑料对设计师和工程师来说仍然非常有用，只要它们在某些维度上与预期的最终生产材料相匹配，那么它们还是可以用于外观、装配和有限的功能测试。 通常，设计师和工程师最看重的属性是刚度（技术术语拉伸模量）， 因此，如果原材料是类 ABS 材料时，它通常指该材料与ABS的刚度类似，而其他材料属性有可能会差别很大。
光敏材料与工程级热塑性塑料最常见的性能不同是断裂伸长率（断裂前的拉伸程度，以百分比衡量）和耐温能力（软化前的温度）。光敏聚合物的断裂伸长率和耐温能力都远不如对应的工程塑料。
所有光敏聚合物都对氧气具有长期敏感性，也就是长期暴露在氧气环境各项性能会老化而退化，并且这种敏感性随着温度的增高会增加。 衡量老化的将能指标为相对热指数 (Relative Thermal Index, RTI)。 这是目前测量老化对光敏聚合物机的械和电气性能的长期影响的最佳方法。 RTI 从测量关键基线属性开始， 然后测试样品在多个温度下的老化，监测其基线属性，直到它们下降到原始值的 50%。 达到 50% 性能所需的时间称为失效时间。
选择合适的塑料
如果不了解一个零件的完整的应用性能要求，就不能做出完全准确的材料选择。但如果提前为选材料做太多的工程计算有时候又不太划算，那么我们该如何为产品选一个合适的材料呢？下面我们提供一些快速选择塑料的经验法则：
✓ 试试 ABS。 ABS 适用于很多很多应用。它价格合理，坚固，相对坚韧，外观不错，即使您不遵循塑料零件的所有标准设计规则，它也很宽容。不过它的熔点确实相对较低。
✓ 如果需要更便宜和更刚强，并且外观不是很重要，请尝试聚丙烯 (PP)。
✓ 如果您需要比 ABS 更坚固或能够承受更高温度的东西，请尝试使用聚碳酸酯 (PC)，PC不如ABS那么可以容错设计规则，需要了解塑料零件的设计规则。。
✓ 如果需要美观和透明，请尝试亚克力（PMMA）。 PMMA 可能有点脆。
透明的 PC 会比 PMMA 更坚固，但在美观上会少一些。
✓ 如果这些规则没有选出合适的材料，那么你需要做数学和工程分析。
如果您打算使用注塑成型来制作零件，您可以制作模具之前，先用不同的候选目标材料机加工几个零件，确定最终材料后再制作模具。这是模具在设计时是需要匹配了特定材料的属性，树脂在固化时会收缩，不同树脂收缩率不一样，因此可能无法在同一模具中使用多种树脂，不同树脂可能会对零件尺寸、公差和精度造成风险。
认识硬金属和软金属
显然，并不是所有零件都是塑料制成，金属也是很常见，很多时候也是更合适的选择。 金属的种类非常多，零件制造中可以简单地分为硬金属或软金属。
软金属：铝、铜、镁
铝是地球含量上最丰富的金属，也是仅次于氧和硅的第三大常见元素，事实上铝占地壳总质量的8%！
铝柔软且具有高度延展性，因此它本身不适合用于机械用途。铝通常与其他元素混合，包括硅、铜、镁和锌，然后经过热处理，制成如今用于机身、汽车和各种消费品的坚固、轻质铝合金。
另一种流行的轻质材料是镁。镁大约是铝合金重量的三分之二，但强度几乎相同，是所有结构金属中最轻的。镁是重要的比强度首选材料。它具有出色的阻尼特性，易于加工，易于成型或压铸。
另外一种软金属是铜，通常分为黄铜和（紫）铜。在这两者中，黄铜是迄今为止用途最广泛的铜合金，除了氨和一些酸含量高的环境外，它具有极强的耐候性和耐腐蚀性。如果您曾经更换过汽车散热器、焊接过厨房水龙头或吹过冲锋号，那么您就接触过黄铜制成的零件。
硬金属：钢、不锈钢、钛、钴铬合金和铬镍铁合金
有些零件需要用硬金属制成。最常见的金属制品是钢，而钢主要由铁组成，铁是仅次于铝的第二丰富元素。人们在数千年以前便开始了炼铁但直到19世纪中期，高质量、大规模的钢生产才成为可能。
与软金属一样，少量的合金元素会对钢的性能产生显着影响——添加不到 1% 的碳和锰就是使脆铁变成坚韧的1018钢。适合飞机使用的 4140 合金钢是由同样少量的铬和钼粉混合而成。
通过这样的混合添加，碳钢可以在一定程度上硬化，并且易于焊接。但还有一个问题：它们会生锈，使电镀或涂漆成为几乎所有涉及碳钢的应用的要求。
为了防止生锈，不锈钢被研制出来。通过将铬的含量增加到至少 10.5%，耐腐蚀性能大大提高。不锈钢广泛用于化学工业、纺织加工和船舶应用。许多不锈钢也具有耐温性，能够承受 1480 摄氏度以上的温度，这个温度足以将铝、黄铜和铜变成熔池。
3系不锈钢(常见的有301,302,316等)至少含有 20% 的铬以及相当数量的镍，因此变得很强硬，加工比较困难。
17-4 PH不锈钢是一种用途广泛，非常坚韧的材料，含有镍、铬和铜。虽然被认为是不锈钢系列的一部分，但它在退火状态下的可加工性却可以接近超级合金状态——经过热处理，它很容易达到 45 Rc的硬度和1000MPa 或更高的抗拉强度，是碳钢的三倍。它最常用于需要高强度和良好耐腐蚀性相结合的地方。
然后硬金属还包含钛。这种轻质元素通常与铝和钒合金化，提供坚固、耐腐蚀的材料。与钴铬合金一样，钛具有良好的生物相容性，广泛用于接骨螺钉、销钉和骨板。钛还对有强烈减重需求的航空航天工业和高性能汽车制造商具有强劲的吸引力。
如果需要特别坚固耐用的合金，您可能会考虑钴铬合金或铬镍铁合金。铬镍铁合金含有 50% 或更多的镍，使其在一定温度范围内具有出色的强度。它用于满足极端要求，例如燃气轮机叶片、喷气发动机压缩机盘，甚至核反应堆和喷气发动机燃烧室。在元素周期表上与镍相邻的是钴，它是钴铬合金的主要成分。不幸的是，钴铬合金和铬镍铁合金通常被认为难以机加工，因此它们更常用于使用直接金属激光烧结 (SLM) 工艺的增材制造。
选择正确的工艺
有时您会发现同样的材料可以用于多个数字制造过程。 例如，尼龙,ABS等一些塑料材料既适用于 3D 打印，也适用于机加工，注塑成型。 同样，某些金属（如铝和不锈钢）可用于 3D打印、CNC机加工等工艺。
在多种工艺中使用的塑料和金属该如何选择？这涉及三个因素：
✓ 零件的最终用途
✓ 零件设计的复杂性
✓ 生产量
在接下来的4，5，6章节，我们将介绍主要的数字化制造工具，只有了解了这些工艺，才能根据具体情况作出正确的决策。
