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高性能聚合物与金属，打印时如何二选一？ | 打印指南

文章和图片来源：        时间：2024.02.06        点击率： 278

对于3D打印来说，无论是金属、塑料还是陶瓷材料，都会影响从支撑结构的使用到收缩问题和最终零件的性能等，但如果两种完全不同的材料都能用于最终零件时，该如何选择呢？


最好的例子无疑是高性能聚合物 (HPP) 和金属之间的比较，聚合物的性能和特点可以与许多金属材料相媲美，成为一种可行的替代品。但是两者之间的主要区别是什么？在打印时又需要注意些什么？接下来TCT小编将结合海外资讯，研究这些问题。


AON3D使用HPP制作的大型部件




金属和高性能聚合物的差异始于它们的起源。虽然大多数金属都是在自然界中发现的（当然合金除外），但聚合物则是人造的。此外，3D打印中使用的特定聚合物是由化学性质不同的聚合物链缠结在一起制成的。


虽然它们在诞生之初可能截然不同，但我们所认为的HPP的性能和特性和金属类似。不过，工程塑料往往具有更高的强度、纯度、刚度、耐磨性和耐化学性。其中包括ULTEM、PEKK、PEEK等热塑性塑料。

虽然TPE/TPU、PC和尼龙有时也被归为热塑性塑料，但它们应被视为“工程热塑性塑料”，而“高性能”热塑性塑料则自成一类。需要注意的是，工程材料虽然性能不如金属或高性能热塑性塑料，但足以满足某些应用要求，且价格更低。用户在选择时应准确地考虑自己的需求。

不同的聚合物有不同的分类，如图所示，金字塔旨在减缓与SLS的兼容性


用于增材制造的金属种类也很多，包括自然形成的金属以及合金。常用的金属包括铝及其合金、钢（包括不锈钢和工具钢）、铜合金、镓、钛及其合金、钴铬镍基合金，近年来甚至出现了金或银等贵金属。所使用的金属类型取决于端部零件的预期用途，因为每种金属都有不同的特性。



HPP和金属都具有机械、热和化学特性。事实上，高性能热塑性塑料可与大多数金属相媲美，尤其是所谓的“超级”聚合物，如 PAEK（包括聚醚酮家族的所有材料，如 PEEK 和 PEKK）和 PEI（其品牌名称Ultem更为人所知）。

例如，PAEK材料以其优异的耐化学性、耐流体性、耐磨性、耐温度性和耐火性而闻名。此外，它们具有优异的热性能和机械性能，即使在高温或零度以下也具有很高的冲击强度。不仅如此，使用高性能聚合物的最大优点之一是高性能聚合物的最大优势之一是其极高的强度重量比（甚至比铝的强度重量比约轻60-70%），这使得部件不但坚固而且重量也轻。玻璃化转变温度也往往很高，断裂伸长率也很高，尽管这PEI、PEKK和PEEK之间有所不同。与金属相比，耐腐蚀性也是所有聚合物的显著优势。


铝与普通HPP材料的抗拉强度差异

另一方面，不同的金属确实存在差异。例如，铝比许多其他金属都要弱，但却轻很多。而铜则具有导电和导热性能，以及良好的延展性。还有，钛以其生物相容性而闻名，而钴则因其强度和延展性而备受青睐。

总的来说，金属因其强度和刚度而广受欢迎，高性能聚合物密度通常低于金属。根据所使用的特定合金，金属也往往能够处理更宽范围的温度。然而，金属零件也往往需要更多时间和技术成本，因为加工工艺涉及激光。

2024年TCT亚洲展部分聚合物材料展商：

Polymaker、eSun易生、巴斯夫Forward AM、诺思贝瑞、元嘉生物、爱的合成、珠海三绿、聚丰新材、中山大简、NatureWorks、阿科玛、广州优塑、赢创、爱丽兹、雷孚斯、乐信康宁、络合高新、海正生物、Corbion、杭州卓普、勇电（排名不分先后）等


2024年TCT亚洲展部分金属材料展商：

威拉里、宁波众远、江苏金物、南通金源、安徽中体、赫格纳斯、浙江天钛、飞而康、兵科院、河北依铂、辽宁冠达、湖南奥科、中天上材、宁波尚材、陕西鼎益、星尘科技、银纳科技、有研增材、宝鸡嘉琦、西安欧中、高冶新材、星冠新材料、盘星（排名不分先后）等


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由于材料的性质不同，所使用的工艺也不尽相同。与高性能聚合物相比，与金属兼容的增材制造技术要多得多。

在金属粉末方面，常见加工方式是激光粉末床熔融工艺，如DMLS和EBM等。定向能量沉积(DED)工艺（包括 WAAM、EBAM 和 WAM 等许多其他工艺）能使用金属丝或粉末来制造或修复超大金属零件（目前唯能做到这一点的增材制造工艺）。


许多金属3D打印工艺都涉及激光


在不使用激光的工艺中，例如粘合剂喷射技术，粘合剂被喷射出来，从而将粉末粘合在一起。不过，由于其特性，这种技术需要进行大量的后处理，如在初始打印后进行烧结。再是挤压技术，只有某些公司可以提供这种技术，在挤压技术中，金属与聚合物基质一起被打印出来。然而，在使用该零件之前，还需要进行脱脂和烧结。

相比之下，虽然标准聚合物与多种增材制造工艺兼容，但高性能聚合物则不然。这些材料的主要3D打印生产工艺是挤出，既可以使用长丝，也可以使用颗粒（不过目前更多使用的是长丝）。SLS 也可以实现，但可用的解决方案要少得多（特别是 EOS P810 机器），由于不需要支撑结构，它可以很好地发挥作用。

但必须考虑的是，高性能聚合物不易打印。即使挤出是主要工艺，也不是任意一台 FDM或FGF 3D打印机都能胜任的，必须使用专为高性能热塑性塑料设计的打印机。


使用高性能聚合物制造的部件通常采用挤压工艺

不仅如此，由于PEEK 和 PEKK等半结晶聚合物的性质，它们在熔化时可能不稳定，即使是拥有设备的专业用户来说也很难进行打印，尤其是所有高性能聚合物都很容易翘曲。

金属和高性能聚合物之间的相似之处还在于打印过程中的困难：在密闭室和高温下，这两种材料都需要大量的工作才能成功打印。但即使是这样，对于金属来说也更加困难，因为机器需要在无氧气的封闭室中进行打印，否则在打印过程中氧气会与金属发生反应。为了避免这种情况，密闭室中必须充满氩气等惰性气体。

此外，由于激光的使用和金属的性质，有些人确实认为高性能聚合物更容易打印，因为涉及的步骤更少。另一个例子是，激光粉末床融合需要额外的安全措施和安全设备，包括呼吸器和防护服，以确保粉末不会进入肺部或接触皮肤。




在向100%再生材料迈进的过程中，首要考虑的是反应性较低的合金，如不锈钢、镍基合金或钴基合金。虽然这些材料更容易回收利用，但人们对高活性合金的回收利用非常感兴趣，这对国防和高性能应用至关重要。战略考虑因素包括数量可用性、金属单位价值和粉末需求，其中镍超合金、钛和铝是有希望的起点。


HPP和金属的应用领域也有很大的重叠。例如，两者都用于航空航天等行业，因为高强度、耐腐蚀的部件对于温度的巨大变化以及符合安全关键部件的规定至关重要。HPP与金属相比重量更轻，这一点在航空领域非常重要。

在汽车和运输领域，全球汽车原始设备制造商的铝型材供应商WKW.automotive通过与巴斯夫Forward AM 合作，WKW.automotive公司利用3D打印金属材料和技术，为汽车行业提供创新应用和解决方案。

巴斯夫Forward AM（展位号：8D50）的Ultrafuse® 17-4 PH金属线材和Ultrafuse® Support Layer支撑线材具有硬度、强度和刚度高的特点，在机械性能上也优于塑料材料，是生产原型工具的完美材料。巴斯夫Forward AM还提供金属脱脂烧结服务，以及必要的后处理解决方案，如抛光，使其符合所有公差和机械性能要求。

医疗应用也很重要，但需要注意的是，并非所有HPP或金属都适合医疗应用。钛因其生物相容性而受欢迎，因为它具有普遍的抗体液腐蚀性、与骨骼结合的能力和高极限。而聚醚醚酮（PEEK）具有与人类骨骼非常相似的特性，使得这种材料特别适用于3D打印植入物。

就在2023年10月，赢创（展位号：7Q05）推出全球首款3D打印医疗植入物碳纤增强型PEEK长丝。根据赢创的数据，本次新推出的产品分别是碳纤含量12%的VESTAKEEP® iC4612 3DF和碳纤含量20%的VESTAKEEP® iC4620 3DF，用户可根据3D打印植入物（如骨板和其他人工假体）所需的力学性能进行选择。

碳纤的高强度和PEEK出色的韧性，赋予VESTAKEEP® iC4612 3DF和VESTAKEEP® iC4620 3DF优异的力学性能。碳纤增强型PEEK长丝的碳纤排布可以在3D打印过程中进行控制。该材料具有卓越的生物相容性，是金属过敏患者的不二之选，同时在X射线下也不会产生伪影。


赢创新碳纤增强型聚醚醚酮（PEEK）长丝材料3D打印的植入物

聚合物更适合应用在较轻的部件，而且在有腐蚀因素的环境中，聚合物更胜一筹。此外，它们具有有效的热绝缘体和电绝缘体，是电气应用的理想选择。然而，当涉及到不考虑重量的强度时，金属将会更有优势。因为它们的选择范围越大，根据特定的性能来选择所需要的材料越容易。此外，金属是导电的，虽然不适合需要绝缘的应用，但在电子元件和布线系统中大有裨益。这也是创建传感器或生物医学设备时的一个要素。

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TCT Asia 2024

时间与地点


5月7日 09:00 - 17:30

5月8日 09:00 - 17:30

5月9日 09:00 - 15:00

国家会展中心（上海）7.1&8.1馆

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