满足工业级应用的高温FDM 3D打印技术

来源：形优制件社

导读：增材制造技术中的FDM技术类别，近年来处于非常混乱和模糊的状态：一方面是PLA材质的普及型打印机，仅用于基础外观评估的非测试应用；另一方面是工业级标准的测试级设备与材料应用，甚至使用FDM原理的金属材质打印。它们之间价格跨度是万元到百万元，仅靠目测两者的的区别：能摆在桌面上和重达1吨以上的体积区别，而内部更是设备成型仓的耐高温运动部件和运动控制软件、依据不同材料的重复精度保证等诸多的本质不同。

在FDM这个统称下，最核心的不仅是高温密闭成型仓室和真实的工程塑料这两点区别。为了了解需要哪些材料才能产生耐用零件，我们从个人打印机到工业级打印进行一个归纳介绍。

• PLA，25%ABS加PLA，PETG是普及型桌面式打印机使用的耗材但是这些远非高质量和工业应用级别的材料。
• ABS、PC、尼龙、PPS、这些则是工业3D打印的高温FDM塑料序列，目前更延展至ULTEM、PEKK等高等级工程材料，这些高等级材料的成型精度与材料性能的同步保障是工业级设备的体现！
  

哪些领域需要应用高性能塑料？

具有出色性能的塑料在航天领域中非常有用。当然还不能用于塑料打印火箭发动机，它的热稳定性还未达到如此高的水平，但是它非常适合制作周围的各种零件。一个例子就是Stratasys和Atlas V.火箭的“气候控制”项目，打印16个塑料零件代替了140个金属零件，实现更快，更轻，更经济。这可不是一个理论项目，它已经飞入太空。

另一个例子是航空。飞机内饰与气密件领域应用的范围很大。为了减少零件的重量，在可能的情况下尽量改用塑料。当飞机制造涉及发动机部件或机身框架的细节时，可直接打印金属，但是到了负荷较小的结构元素（例如机舱通风和内饰部件）最好由高性能塑料制成。目前，主流航空公司们越来越多的接受这种趋势。

我们从天上回到地面：有趣的是工程塑料的其他性能。耐化学腐蚀性、耐高温、防静电、生物相容性等有可能使3D打印创建传统工艺无法获得的零件结构。与金属打印相比，塑料打印价格更低。打印的产品可更多地应用于医药、石油天然气工业以及化学工业领域。

与普通塑料的区别
为什么不将PLA发射到太空，而使用ULTEM材料制作飞机舱的通风板呢？工程塑料被应用于一系列与高温、低温、耐火、机械强度有关的要求。通常来说这些要求是一体的而非其中的一点。因此，当与PLA与环境相互作用时，燃烧和产生漂浮物是不可控的。目前,此类工程塑料实际上必须使用更高基本的FDM/FFF技术在工业打印设备中完成。

含聚碳酸酯的长丝
聚碳酸酯是工业上常用的塑料，具有高抗冲击性和透明性，也可满足FDM打印的需要。该材料比ABS更能保持温度，耐酸，但对紫外线辐射敏感，在石油产品的影响下分解。

纯聚碳酸酯，PC

PC 3D打印零件，来源：形优制件社

聚碳酸酯产品的最高工作温度为130°C。聚碳酸酯具有生物惰性，其产品可以接受灭菌处理，这使您可以将其用于打印药品包装和配件。

Stratasys PC、 PC-ISO（Fortus打印机可用）。第一种是用于一般用途，第二种是经过生物相容性认证的医疗用途。

PC-ABS

PC-ABS 3D打印零件，来源：形优制件社

PC-ABS结合了ABS固有的耐磨性和韧性，具有更高的冲击性和工作温度。在低温下（最高-50°C）保持强度。与纯PC不同，它更适用于需要通过打磨或喷砂消除零件的分层结构的情况。

应用：用于零件和小批量生产的外壳和控制元件，替换设备中的成批的塑料部件

聚酰胺长丝

nylon12 3D打印零件，来源：形优制件社

尼龙聚酰胺被用于合成纤维的生产，这是一种很受欢迎的打印材料，使用选择性激光烧结（SLS）进行打印。用FDM / FFF技术进行打印时，主要使用尼龙6（尼龙），尼龙66（尼龙）和尼龙12。尼龙基长丝的共同特征包括化学惰性和抗摩擦性。尼龙12比PA6和PA66更具柔韧性和弹性。最高工作温度100°C，个别最高可到120°C。
首先，尼龙是用来打印齿轮的。为此目的的最佳材料，您可以使用它在带封闭相机的常规3D打印机上工作。耐磨性使您可以制造牵引力，凸轮，滑动衬套。在许多制造商的生产线中，都有基于尼龙的复合长丝，具有更高的机械强度。

Stratasys 尼龙6，尼龙12，尼龙12CF。后者为填充长丝碳纤维的复合材料

您可以在常规3D打印机上使用聚碳酸酯或聚酰胺。下述长丝更为复杂，它们需要使用其他挤出机打印并保持工作室内的温度，也就是说，您需要使用高温塑料进行打印的专用设备。不过也有例外，如在美国国家航空航天局（NASA），为了进行实验，他们对美国流行的Lulzbot TAZ进行了现代化改造，以使用高温灯丝。

聚醚醚酮，PEEK

PEEK产品的工作温度达到250°C，可以短期加热到300°C-增强长丝指示器。PEEK有两个缺点：价格高和抗冲击性中等。其余的都是优点，自熄、耐热，具有化学惰性。PEEK生产医疗设备和植入物，耐磨性使其能够打印出机器的细节。

聚醚酰亚胺，PEI

Ultem1010 3D打印零件，来源：形优制件社

ltem9085打印的超高压强电接头，来源：形优制件社

Ultem SABIC开发的塑料，PEI特性比PEEK指标略低，但成本要低得多。Ultem 1010和9085是Stratasys的核心材料，用于打印功能部件。航空航天行业对PEI的需求很大，与铝合金相比，其重量要小得多。产品的工作温度根据制造商的不同，最高可以达到217°C，根据Stratasys测试的结果可以达到213°C。

PEI具有与PEEK相同的优势，耐化学性和耐高温，机械强度高。Stratasys推广的正是这种材料，它可以替代航空航天中的金属，用于无人机，成型工具的制造以及在试验中快速打印功能部件。在本报告开始时的示例，针对空客客机的Atlas V火箭冷却系统部件和塑料部件均由Ultem 9085制成。

聚苯砜，PPSF / PPSU

兼具耐温性，机械强度和耐化学性的另一种材料。Stratasys PPSF已通过航空航天和医疗应用认证。定位为生产辅助医疗设备的原料，可以在蒸汽高压灭菌器中灭菌。它用于化学工业中实验室设备的零件制造。

PC-ISO
材料原色白色，具有生物相容性（ISO 10993 USP VI），并且可以进行γ或EtO灭菌的材料。 通常用于食品和药品包装以及医疗器械制造。材料的强度和医疗兼容性可用于概念建模，功能原型设计和最终用途部件。该材料可用Stratasys Fortus系列设备进行打印。

PC-ISO打印MRI线圈，来源：形优制件社

材料参数比较

*在140°C下煅烧2小时

**无法获得通过类似方法测试Apium PEEK 450自然，冲击测试结果。

缺失，耐热性被指定为未完成的PEEK。
参数是Stratasys提供的数据，PEEK除外。如果指示值的范围，则沿着零件的各层进行测试。

关于复合长丝

nylon12cf 打印的承重支架，来源：形优制件社

大多数用于FDM打印的材料都具有复合材料版本。如果我们谈论PLA，则将金属或木材粉末添加到PLA中以改变其美学特性。工程塑料用碳纤维增强，以增加零件的刚性。这些添加剂对塑料性能的影响不仅取决于其数量，而且取决于纤维的尺寸。如果可以将细粉视为装饰性添加剂，而纤维则已经明显改变了塑料的特性。材料名称中的“碳”一词并不意味着优异的性能，您需要查看测试结果。例如：Stratasys Nylon12CF沿层测试时的拉伸强度几乎是Nylon12的两倍。

有一种特殊的选择是Markforged公司实现的持续强化。该公司提供增强纤维丝，用于与其他塑料进行FDM联合打印。

其他特定属性

矿机用设备遥控器，来源：形优制件社

采用防静电ABS-ESD7材料制作，有效避免静电火花引发的事故可能性

工程塑料不仅具有耐高温性和机械强度。对于用于存储电子设备的外壳或盒子，以及在具有易燃挥发性液体的工作条件下，需要具有抗静电性能的材料。在Stratasys产品线中，ABS-ESD7与Nylon12 CF材料适用。

常规的ABS不耐紫外线辐射，这限制了它在户外没有保护性涂层的情况下的使用。作为替代方案，提出了ASA，除了优异的抗紫外线性外，其它特性与ABS相似。

金属的替代品
塑料可以在很多领域替代金属，因为它在轻度，隔热和电绝缘性，耐用性方面都超过了金属。但是，特殊合金和机械强度要求高的领域，目前最好的FDM材料的打印还不能达到金属产品的物理指标。

特殊工程塑料
总结一下。简而言之：上文所考虑的打印材料与具有较高打印温度的常规材料不同，这些都需要使用专用设备打印，并且所制造零件的耐热性和机械强度很高。为了使用这种线材，需要使用挤出机工作温度为350°C且具有热稳定成型空间的工业级3D打印机，你作为个人爱好者或初级教育，可以使用桌面打印设备，它们不需要大多的专业知识，但如果你是一个工程师或依据生产型工程材料来定制部件的偏专业人士，请务必选择能满足你的工业级设备与对应材料，或与用此类设备来提供服务的综合服务的供应商。