高性能3D打印材料指南（一）

魔猴君知识堂 225天前

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虽然聚乳酸（PLA）是3D打印中最常用的塑料，但与高性能3D打印聚合物相比，聚乳酸（PLA）还是相形见绌。有几十种三维打印塑料具有超高的强度、耐用性、耐磨性、耐热性、生物相容性以及您的最终零件或功能原型可能需要的其他属性。

今天魔猴网整理了几种 3D 打印高性能聚合物相结合所获得的独特属性。

采用 PEEK、PAEK、PEKK 或 PEI 等高温材料 3D 打印的工业组件需要高温 3D 打印机（来源：3DGence）

从航空航天到汽车再到医疗保健，越来越多的行业正在使用3D打印技术打印需要特定性能的终端零件。对于结构部件、设备备件、医疗植入物和工厂模具来说，3D 打印正促使它们从金属转向非金属。事实上，高性能聚合物在越来越多的应用中被证明优于金属部件，因为它们比金属部件更轻，生产成本更低，生产速度更快。

3D打印聚合物部件通常更耐用；更耐腐蚀、耐化学腐蚀和耐热；在高温或零度以下具有更高的冲击强度；与金属相比，具有更高的电绝缘性和噪音抑制性。聚合物还可以进行定制，制造出金属通常无法实现的形状，并且可以通过 3D 打印来整合部件，因此无需组装或焊接。

在这篇高性能材料概述中，我们将介绍目前用于增材制造的顶级聚合物的特性，帮助您做出最佳选择。

一、什么是高性能材料？

使用 Minifactory Ultra 用 PEEK 打印的零件（来源：Minifactory）

说到塑料，"高性能 "一词并不是一个科学的分类，对于包括哪些聚合物的说法也不尽相同。您可能会听到工程级、技术聚合物或高性能塑料等术语，指的是比最常见的 3D 打印材料（如 PLA 和 ABS）具有更高强度、纯度、刚度、耐磨性和耐化学性的材料。

除了种类繁多的聚合物之外，还有大量的聚合物混合物、用玻璃纤维或碳纤维增强的聚合物以及品牌复合材料。

一般来说，高性能塑料在高温、高压和腐蚀性化学品等恶劣环境下仍能保持理想的机械、热和化学特性。换句话说，它们不会弯曲、翘曲、开裂或分裂。

二、高性能塑料有什么用途？

电动赛车 E0711-11 EVO 包含 90 多个使用 Intamsys 3D 打印机打印的高性能聚合物 3D 打印部件（来源：Intamsys）

由于成本高昂，高性能塑料最常用于制造终端功能部件。它们也被用作最终将由金属、玻璃或大规模生产的部件（如汽车部件原型）的功能原型。如今，高性能聚合物已成为铜、黄铜、钛和铝等高成本且对环境不可持续的金属的替代品，它们具有抗氧化、抗腐蚀和抗化学污染的特性。它们对热的反应也不同于金属，这在从医疗植入物到电机的各种应用中都是一个优势。

让我们来看几个具体的例子。

赛车运动中的快速原型制造

在一个依赖于多次实验设计迭代的行业中，能够快速打印出实际经受住功能测试的原型部件，能让赛车队更快地进行创新。此外，由于材料的非导电性，更多最终使用的高性能 3D 打印部件正在进入赛道和电动赛车。

最近的一个例子是摩托车赛车队 Ducati Corse 使用 3D 打印高性能材料为 Ducati Panigale V4 R 超级摩托车制造水箱隔热罩。该功能原型部件要求耐热温度高达 700ºC，通常是通过手工层压模具中的碳纤维预浸料制成的。通过与 3D 打印机制造商 Roboze 合作，该团队以更快的速度用碳-PEEK 3D 打印出了该部件，并完全省去了模具阶段。

"Ducati Corse 车辆动力学和设计经理 Riccardo Savin 说："得益于 Roboze 用于超级聚合物和复合材料的 3D 打印技术，我们能够大大加快具有惊人机械性能的空气动力学部件的生产速度。

制造一级方程式赛车的迈凯轮车队与 3D 打印机制造商 Stratasys 合作，用碳纤维增强尼龙 12 材料生产空气动力铲和叶片。该公司表示，增材制造工艺将零件的交付周期从 29 天缩短到了 5 天，同时还将相关成本降低了约 25%。在另一个案例中，与传统制造工艺相比，3D 打印前制动导管的交付周期缩短了 60%，成本降低了 85%。

"使用增材制造技术，而不是加工金属或聚合物，可以让我们以更少的人员快速获得部件。更少的时间、更少的人员、更少的材料、更少的浪费，"迈凯轮设计与开发总监尼尔-奥特利（Neil Oatley）总结道。

Hexcel 的 HexPEKK 材料用于制造一系列比金属更轻的航空航天部件（来源：Hexcel）

航空航天领域的轻量化

用坚固的高性能塑料部件代替金属部件，可显著降低飞机、航天器和卫星的重量，从而提高燃料和尺寸效率。高性能塑料与创造性设计相结合，可制造出材料用量更少但强度高于铝的部件，如支架和壁。高性能塑料，如可用温度范围为 -184 ºC 至 149 ºC 的 PEEK，是外太空恶劣条件下的理想选择。

事实上，3D 打印的 PEEK 部件（由 Orion AM 打印）将于 2023 年 4 月登陆月球，作为研究各种材料在恶劣的月球环境中如何发挥作用的一部分。之所以选择 PEEK，是因为它足够坚固，在某些情况下可以替代金属零件，而且众所周知它可以抵御太空环境。

快速生产模具和工具

3D 打印复杂的注塑模具和模具，尤其是用于独特或短期生产的模具和模具，与数控铣削相比，成本更低，速度更快。此外，快速三维打印还不会造成材料浪费，使制造商能够为客户提供更多定制选项。

制造商们发现，在机床组装工艺中，高性能塑料完全可以与金属相媲美，而且它们可以在内部或 3D 打印服务机构中以更快的速度打印出来，价格也只是后者的一小部分。

Hymer露营车与巴斯夫Forward AM公司合作，将高性能材料用于该车的100多个3D打印部件，实现了概念车的轻量化（资料来源：Forward AM公司）

患者专用植入物

生物相容性高性能聚合物可用于无数定制设计的植入物，以满足患者的特定需求。与铣削加工相比，增材制造生产这些部件的速度更快，材料浪费更少。由于具有骨整合性，3D 打印的 PEEK 已用于患者的骨替代。

瑞士 KYON 公司生产的最新一代无骨水泥髋关节假体可永久用于猫狗。该创新技术的核心是由赢创的 Vestakeep PEEK 生物材料制成的摩擦片（来源：KYON）

管道和水处理系统

坚固的高性能聚合物可以在加压热水应用中替代黄铜，并通过消除重金属的腐蚀和污染并提供更可持续的材料解决方案，与金属相比具有明显的优势。其出色的抗氧化性为需要持续暴露于热氯化水或海水的应用提供持久、持久的性能。

伏特加酿酒厂 Our/Vodka 选择 3DVerkstan 由 PEI 制成的 3D 打印部件用于灭菌过程（来源：MiniFactory）

三、如何使用高性能材料进行打印

当今先进的工业三维打印机消除了使用先进材料打印时的大量试验和错误（来源：AON3D）

当然，要在最终部件中获得所需的特性，就必须正确打印。对于高性能材料，您不仅需要特别注意热端、加热床和加热室的温度，还需要注意打印速度以及零件冷却的快慢。这些变量还与打印的内容有关，例如打印壁的厚度和打印层的高度。

但不要因为高性能材料的技术要求而气馁。事实上，如今的高温工业三维打印机已经自动完成了大量的打印工作，而且许多公司会与您合作，就如何使用高性能材料进行打印提供建议。Stratasys、Roboze、Aon3D 等打印机制造商已经在他们的机器上使用高性能材料打印了数百个小时，他们可以通过为机器推荐理想的打印参数，让您避免浪费时间和昂贵的材料。

最佳工业 FDM 3D 打印机

如果您的打印机不是专门为高性能材料设计的，那么您需要进行更多的实验才能获得高质量的打印效果。如果您的打印机不能保持高于 300 ºC 的稳定热端温度、高于 100 ºC 的稳定床层温度以及高于 90 ºC 的主动加热室温度，那么高性能材料只会给您带来挫败感。

材料的准备和养护也至关重要。高性能聚合物需要保存在受控环境中，加工前通常需要长时间干燥。