从材料、工艺、设计和性能四个角度分析3D打印热塑性材料替代部分金属应用的可能性

  新闻资讯     |      2022-10-07 06:44

  鸭脖官方网站入口金属材料经过长时间发展,已经深入到了生活的方方面面,尤其在工业制造领域,金属材料具备非常好的机械强度,耐温、耐老化、尺寸稳定性都较为优异。但随着科技的发展,各行业如航空航天、汽车等领域对材料的使用要求越来越高,在满足使用性能的前提下,对材料的应用也提出了新的需求,如轻量化、 耐腐蚀性、安全性等。

  随着3D打印行业的发展,我们可以看到3D打印高性能塑料的应用场景日益丰富,越来越多的行业正在通过3D打印技术来解决生产制造过程中遇到的问题,那么通过3D打印制造的高性能塑料到底能不能替代传统工艺制造出来的金属部件呢?本期,3D打印技术参考将从材料、工艺、设计和性能几个方面进行完整展现。

  增材制造工艺种类很多,其中FFF/FDM 3D打印技术以其自身灵活性和多功能性而闻名,该技术的成型原理并不复杂,通过高温喷嘴熔融并挤出塑料线材,线材在打印平台上经过堆积、冷却、固化,逐层叠加得到实体。因为使用的原材料是基于发展已有120余年历史的塑料,所以通过FFF/FDM工艺打印出来的零部件,针对各种环境有不同的材料选择和功能特性,如比较优异的机械性能、耐温性、耐化学性、耐摩擦性等等。

  现在市面上主流使用的FFF/FDM 3D打印材料,有工程材料和高性能特种材料之分。在常见的工程塑料中,PC具有非常好的耐磨性、耐温性以及耐油性;ABS的使用成本只有PC的二分之一左右,加工性较好,且具备非常好的电镀性能,可以实现真空覆膜或者上漆工艺,后处理的空间比较大。除此之外,工程塑料之中也有尼龙,它具有非常好刚度、强度、耐磨性以及耐油性,一般会大量使用在一些汽车内外饰以及空调通风管道等场景,但是因为尼龙材料容易吸水,所以其尺寸稳定性就相对较弱,吸潮后会变软,韧性变大。面对高湿场景的应用需求,我们可以考虑加入碳纤,如尼龙12碳纤,它的平衡吸湿率只有0.6%左右,在日常的使用场景中能维持非常稳定的性能。此外,尼龙碳纤材料的刚度、强度以及尺寸稳定性比较好,适合对尺寸精度要求高的一些场景,如定位工装。

  当我们面对一些更加严苛的使用环境时,性能特征更强的材料就能为我们提供更多的选择。PPSU耐水解,能够承受100多次的蒸汽消毒不会损坏力学性能,具备极佳的抗冲强度,通常在医疗器械领域拥有非常好的使用效果。在高温下具有高强度、高刚性、耐磨性和尺寸稳定性的ULTEM是许多行业的应用首选,其中ULTEM™ 1010由于极好的电气性能,在电子行业应用较多,如高温接插件、元器件卡座等。ULTEM™9085在航空航天领域应用也十分广泛,因为传统制造的一些局限性,通过传统工艺很难满足航空航天领域对轻量化和阻燃性的要求,ULTEM™9085就适用于制作航空零部件的备件。

  那么3D打印热塑性塑料件是如何做到强度优化以实现金属零部件的替代的呢?目前能够确切实现的强度优化方式有以下几种。

  ①超过60%的模型密度对模型强度增加有限②小喷嘴表现表面质量有优势,大喷嘴大流量挤出的话强度有优势 ③调整打印方向后,就可以优化箭头方向的受力表现④增加壁厚可以提高拉伸强度和弯曲强度

  通常情况下,如果汽车能够减重10%,那么燃油节省量就能达到6-8%,材料的减重对节能减排来说意义重大,但普通的工程塑料大部分易燃,会增加安全隐患,具备阻燃能力的塑料具备非常好的应用前景,尤其在当今新能源汽车领域,塑料先天的绝缘性是一大优势。

  传统制造方式为了满足金属材料在的摩擦条件下的长期使用,通常会使用润滑油来降低摩擦阻力,与此同时就会增加材料受腐蚀的风险。而塑料在耐磨性上具备先天的优势,如高性能特种塑料PEEK,就具备自润滑的条件和干态下比较低的摩擦系数,以及良好的耐腐蚀性,它的耐化学性能堪比镍钢,仅溶于浓硫酸和浓硝酸等一些强腐蚀性的溶剂。

  3D打印的塑料材料跟金属相比,最明显的区别莫过于强度和耐热,从耐热曲线上可以看到,从能够耐温80℃的ABS到能够耐温最高260℃的PEEK,基本上均能够满足日常环境中的使用需求。而PEEK在条件更为严苛的太空环境下,还有其他的一些更好的性能表现。

  此外,针对材料应用的疲劳强度,可以引入比强度的概念,它是强度跟密度的比值,可以理解成在同样质量下的两种材料进行强度的比较。像PEEK和PEI这两款材料,它们的比强度已经与钢相当,所以即便是在一些受载比较大的应用场景,也可以使用塑料替代金属。

  在常规工业生产中,使用金属材料制作工装夹具也有着十分广泛的应用,但通过开模工艺制作金属工装的时间周期比较长,成本也较高,其中还有一个比较常见的需求是防静电。在这种情况下,使用塑料3D打印制作工装也是非常不错的选择。一些常规工程塑料,都有比较高的表面电阻率,也就是我们熟知的绝缘材料,所以在生产流程中会存在放电的风险。那么塑料是否能够也具备一些防静电的性能呢?答案是肯定的。目前主流的方式,是通过物理改性让塑料达到防静电的效果,如在原料中加入碳纤维、纳米管,甚至是石墨烯,或者选择一些比较吸湿的材料,如前面提到的尼龙材料,它在吸湿后导电率会有所提升,但是会因此牺牲一些精度。

  远铸智能(INTAMSYS)是一家全球领先的提供高性能材料3D打印和工业直接增材制造解决方案的高科技公司,聚焦于航空航天、汽车、电子制造、消费品、医疗、科研等行业领域,该公司提供从功能测试原型制作、工装夹具制造到最终产品直接批量生产的完整增材制造解决方案,产品涵盖设备、软件、高性能材料及打印服务等。

  在最新的案例中,空客旗下全资子公司CTC GmbH购买了远铸智能FUNMAT PRO 610HT工业级FDM 3D打印设备,用于完善其基于3D打印技术的批量生产流程。CTC GmbH一直在探索3D打印在飞机结构碳纤维增强聚合物(CFRP)零部件中的应用。FUNMAT PRO 610HT兼容市面上主流高性能3D打印材料,是打印大尺寸PEEK、PEKK、ULTEM、PPSU等高性能材料的理想选择。CTC GmbH将携手远铸智能共同探索满足飞机工艺和材料要求的可能性,完善基于3D打印技术的整套可认证的生产流程,包括从打印数据的采集、样品打印到后期的产品认证。

  制造业在不断调整以满足新的需求。高性能聚合物以及纤维增强复合材料以其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。3D打印技术的快速发展无疑为实现复杂几何形状的复合材料制造提供了契机,从而进一步拓展了复合材料的应用范围。作为中国高性能热塑性塑料3D打印领域的高科技公司,远铸智能正在从材料、工艺、设计和性能几个方面,突破材料的极限,推进技术应用。