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與金屬的應用
相互交映
高溫材料非常有用,因為它們可以在更多環(huán)境中使用。考慮一下汽車發(fā)動機中的塑料部件:如果暴露在足夠高的溫度下,它會變軟甚至熔化。但是,如果它是由具有較高耐熱性的材料制成的,則可以成為減輕汽車重量的友好解決方案。塑料零件通常比金屬零件輕,這在很多方面都是有利的,尤其是在汽車和航空航天行業(yè)。因此,人們對這些高溫3D打印零件非常熱衷。
通常開放式臺式3D打印機完全不足以3D打印高溫材料,因為必須將所需的熱量封閉并精確控制。根據(jù)3D科學谷的市場研究,市場上出現(xiàn)了一些專注于高溫材料的3D打印機制造商,包括Roboze,INTAMSYS,Minifactory等。一些原來的制造商,例如Stratasys,EOS也提供高溫熱塑性材料打印功能,惠普、voxeljet-維捷等則提供尼龍的高速3D打印功能。
高溫塑料
l PEEK
該聚合物的化學名稱為“聚醚醚酮”,實際上是PAEK家族的一部分,顯然是1980年代英國Victrex發(fā)明的。它具有強大的耐用性,因此成為****的高溫3D打印材料之一,因此通常用于高應力應用。
聚醚醚酮(PEEK)具有以下方面的特性
耐高溫性:PEEK具有較高的玻璃化轉變溫度(Tg=143℃)和熔點(Tm=334℃),其負載熱變形溫度高達316℃,長期使用溫度為260℃,瞬時使用溫度可達300℃。
自潤滑性:PEEK具有良好的滑動特性,適合于嚴格要求低摩擦系數(shù)和耐磨耗用途的場合,特別是用碳纖維、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常優(yōu)越。
耐腐蝕性:除濃硫酸外,PEEK不溶于任何溶劑,具有很高的化學穩(wěn)定性。
阻燃性:PEEK具有自熄性,即使不加任何阻燃劑,可達到UL標準的94V-0級。
易加工性:由于PEEK具有較好的高溫流動性,且熱分解溫度高的特點,可采用多種加工方式,比如注塑成型、擠出成型、模壓成型及熔融紡絲等。
機械特性:PEEK具有良好的韌性和剛性,它具備與合金材料媲美的優(yōu)良耐疲勞性。
電性能:PEEK有高的體積電阻率和表面電阻率,在寬廣的溫度范圍及環(huán)境變化下可以承受各種頻率的交流電位場強,保持良好的絕緣性能。
耐水解性:樹脂及其復合材料不受水和高壓水蒸氣的化學影響,在高溫及高壓蒸汽或水環(huán)境下可以連續(xù)使用而保持良好的機械性能。
耐候性:優(yōu)良的耐候性能,聚合物可用于制造工作環(huán)境要求嚴格或需要經常耐殺菌處理的組件。
l PEKK
化學名稱“聚醚酮酮”,這種新興的3D打印材料正變得越來越流行。PEKK與PEEK的不同之處不*在于其名稱,還因為它們具有許多共同的特性。但是,PEKK能夠承受更大的壓縮力,耐熱性也往往比PEEK高。
l PEI
化學名稱為“ Polyetherimide”,也可以以SABIC的商標“ ULTEM”找到。它是Stratasys提供的首批高溫3D打印材料之一,可作為其Fortus設備的材料選件。盡管比PEEK便宜,但它的耐熱性和強度也稍差,PEI通常用于航空航天應用。
l PPSU / PPSF
化學名稱“聚苯砜”。這種材料具有很高的強度和耐化學性。包括Stratasys在內的多家公司提供這種材料選擇。
l PAEK
化學名稱“聚芳基醚酮”。這種材料是相對于高溫3D打印空間而言相對較新的材料,但是它具有高達350C的極高的耐高溫性,并且與其他高溫材料相比,燃燒時產生的**更少。這使得它可以用于可能發(fā)生人體暴露的應用。
l PC
聚碳酸酯是指一類在其結構中整合了碳酸鹽的聚合物。PC是一種非常流行的材料,因為它具有出色的耐用性以及很高的抗沖擊性和耐刮擦性。因此,它通常用于消費產品。
l PA
聚酰胺是一種非常常見的3D打印材料,盡管可能很難證明它們是高溫材料,因為與該清單上的其他材料相比,某些聚酰胺的玻璃化轉變溫度較低。PA有幾種,通常用數(shù)字表示:PA-6,PA-11,PA-12,PA-66等。它們也被稱為“尼龍”。
尼龍中的主要品種是尼龍6和尼龍66,占**主導地位,其次是尼龍11,尼龍12,尼龍610,尼龍612,另外還有尼龍 1010,尼龍46,尼龍7,尼龍9,尼龍13,新品種有尼龍6I,尼龍9T和特殊尼龍MXD6(阻隔性樹脂)等,尼龍的改性品種數(shù)量繁多,如增強尼龍,單體澆鑄尼龍(MC尼龍),反應注射成型(RIM)尼龍,芳香族尼龍,透明尼龍,高抗沖(超韌)尼龍,電鍍尼龍,導電尼龍,阻燃尼龍,尼龍與其他聚合物共混物和合金等,滿足不同特殊要求,**用作金屬,木材等傳統(tǒng)材料代用品,作為各種結構材料。
迄今為止,根據(jù)3D科學谷的市場研究,選擇性激光燒結粉末床-SLS工藝、多射流熔化-MJF工藝、高速燒結-HSS工藝中使用***的塑料是聚酰胺(PA)- 尼龍。尼龍比其他一些塑料(如ABS)更堅固,更耐用,雖然SLS設備廠商或其他3D打印技術設備制造商都提供某種形式的PA,但目前*基本的品種是PA11和PA12,當然也有許多類型的PA復合材料,包括玻璃增強尼龍、碳纖維增強尼龍,以提供某些附加的性質。
大多數(shù)PA燒結部件不能一次打印多種顏色,有一個例外是噴墨技術(例如MJF),可以將彩色墨水沉積到3D打印部件上,以創(chuàng)造充滿活力的全彩色對象。
l PVDF
化學名稱“聚偏二氟乙烯”。這是3D打印的一種非常新的材料,目前*由Minifactory等少數(shù)3D打印機制造商支持。PVDF的主要主張是,它幾乎與其他材料完全不發(fā)生反應,因此使其適合需要暴露的特定應用,包括生物醫(yī)學應用。
l TPI
熱塑性聚酰亞胺似乎*處于3D打印的研究階段,TPI具有耐磨性,耐高溫性和長期耐用性。它可能會成為將來3D打印的另一種材料。
PEEK材料供應商
根據(jù)3D科學谷的市場研究,英國威格斯(Victrex)、比利時索爾維(Solvay)、德國贏創(chuàng)(Evonik)是全球三大PEEK生產商。
l 英國威格斯(Victrex)
威格斯正帶領由多家公司和機構組成的**,投身于3D打印(增材制造或AM)創(chuàng)新。作為其關鍵角色的一部分,威格斯將以**于增材制造工藝的新型化學配方設計為基礎,開發(fā)高性能聚芳醚酮(PAEK)聚合物新牌號。
事實上,威格斯的PAEK聚合物已經在長絲熔融和粉料激光燒結的3D打印零件中得到應用,同時該公司還在積極開發(fā)新的解決方案。在行業(yè)內,該**正著眼于為新的PAEK聚合物牌號開發(fā)新的應用領域,有望為以航空航天行業(yè)為重點的增材制造技術帶來革命性的變化。
l 比利時索爾維(Solvay)
索爾維的PEEK材料用于3D打印已經獲得了一系列的成功案例,其中,傳奇性汽車創(chuàng)新者Matti Holtzberg領導的Polimotor 2項目,配備了索爾維KetaSpire® 聚醚醚酮(PEEK)增強等級生產的3D打印燃油進氣歧管。該產品由復合部件增材制造**企業(yè)Arevo Labs利用創(chuàng)新性增強長絲融合技術制成。索爾維是這一極受期待的技術項目的主要材料贊助商。
用PEEK替代原來的鋁制進氣歧管可以減輕部件重量50%。專為Polimotor 2選定的材料是一種定制配方的增強等級KetaSpire® KT-820 PEEK 含有10%的碳纖維。KetaSpire® PEEK是索爾維性能**異的聚合物之一,可以很好地耐受汽車工作液,并在高達240°C (464°F)的連續(xù)使用溫度下,具有可靠的機械性能。這些品質使得該材料成為Polimotor 2燃油進氣歧管極為理想的選擇,因為在靠近活塞的進氣部位溫度達到150°C (302°F)。
Polimotor 2項目旨在開發(fā)重量介于138 至 148 磅 (63-67 公斤)、或比現(xiàn)有標準發(fā)動機輕90磅 (41公斤)的全塑型四缸雙頂置式凸輪軸發(fā)動機。除了現(xiàn)有的燃油進氣歧管產品外,Holtzberg這一革命性項目還將充分發(fā)揮索爾維先進聚合物技術的優(yōu)勢,開發(fā)多達10種發(fā)動機部件。包括水泵、油泵、進水/出水口、節(jié)流閥、油軌和其它高性能部件。有望采用的索爾維材料包括Amodel® 聚肽酰胺樹脂(PPA)、 AvaSpire® 聚芳醚酮 (PAEK)、 Radel® 聚苯碸(PPSU)、 Ryton® 聚苯硫醚 (PPS)、 Torlon® 聚酰胺-酰亞胺(PAI)和Tecnoflon® VPL氟橡膠。
與傳統(tǒng)長絲融合3D打印工藝類似,Arevo技術將聚合物長絲依次往上或沿著長度方向堆疊,*終形成復雜的形狀。這樣可以快速地將數(shù)字化設計的產品快速加工成功能部件,節(jié)省了先制造模具,再進行原型制造的時間和成本。但是,Arevo公司的增強長絲融合技術平臺具有獨特的能力,可以打印增強PEEK聚合物。與Arevo的工藝控制軟件相結合,該平臺可用于優(yōu)化打印部件的機械性能。
l 德國贏創(chuàng)(Evonik)
贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產方面擁有超過40年的豐富經驗。其多元化的產品組合包含幾乎所有工業(yè)應用的解決方案。因此,集團是全球PEEK市場上客戶長期合作的可靠伙伴。
憑借極為出色的耐熱性與耐化學性,贏創(chuàng)VESTAKEEP®特殊聚合物可替代金屬部件,滿足輕量化結構件應用的需求。
VESTAKEEP® Easy Slide I是一款PEEK改性產品,具有優(yōu)越的耐磨性與較低的滑動摩擦,能夠用于生產體積更小且更為強韌的結構部件,例如真空泵。而VESTAKEEP® 5000 HCM(熱壓成型)級產品能夠提高定制PEEK密封件的生產效率,使這些應用于石油天然氣行業(yè)的密封件具有出色的機械特性和**的表現(xiàn)。
