哪种材料不仅适合您的设计，还适合增材制造过程?下面我们来看看流行的增材制造工艺的属性和要求，以及为它们选择合适的树脂和化合物的指导。
作者:Vandita Pai-Paranjape, SABIC增材制造、技术与创新高级经理
成功的塑料树脂和化合物增材制造取决于为工艺、设计和最终用途选择正确的材料。虽然增材制造正在多个领域迅速发展，其目标是从原型/有限生产方法扩展到健壮的、可复制的制造过程，但优化材料迄今为止仍受到限制。主要原因是增材制造与经典工艺(如注塑)有很大不同，因此需要专门的树脂和化合物来提供所需的性能。为了满足这一需求，聚合物供应商正在开发符合特定印刷工艺特点的材料，并能满足最终使用环境中生产部件的更高性能要求。
为什么增材制造需要定制材料
由于专门的材料才刚刚开始生产，所以重新利用现有的注塑树脂和化合物进行增材制造是很常见的。但是这种方法可能会有问题，因为增材制造工艺与注塑成型有很大的不同。
大型增材制造通常使用纤维或矿物增强树脂，以提高尺寸稳定性和最小化翘曲。SABIC的高性能THERMOCOMP AM化合物增强了碳或玻璃纤维，提供了额外的强度和稳定性。
首先，与高压注射成型相比，增材制造是一个低压力或无压力的过程。增材制造通常依赖于热能的应用来产生层间粘附和层间固结。此外，增材制造中的热管理系统各不相同，材料的供应形式也各不相同(丝状、液体、粉末和颗粒)。打印机中的热剖面和聚合物的热特性会影响流变行为和材料层的固化方式，从而导致与注塑件相比具有不同的性能。即使是添加制造零件的后处理技术，如支架移除、蒸汽光滑、喷砂和喷砂以及热固化，也不同于注塑零件的技术，后者可以包括脱门、去闪光、清洁等。
为熔融沉积建模而设计的增材制造材料的特殊要求的一个例子是构建聚合物与支撑结构的相容性。在打印过程中，这些临时支架对于支撑部件的独立部分是必要的(设想使用熔融沉积模型来形成字母H的交叉部分)。支撑聚合物应该在粘附和支撑正在构建的结构之间提供平衡，并且在打印工作完成后也很容易拆卸。
其他关键问题是机械性能与注塑成型树脂性能的差异，以及增材制造过程中材料沉积方式在打印方向上的各向异性变化。不仅X、Y和Z轴的机械性能不同(Z(垂直)轴的挑战最大)，它们还取决于工艺。熔融沉积模型比选择性激光烧结(SLS)和立体光刻(SL)更容易受到各向异性的影响。人们正努力通过创新材料开发和印刷技术来解决这个问题。
更大的挑战是，传统上用于打印原型的材料通常不能满足大批量生产和最终使用部件的所有要求，从机械性能到美观。所有这些未被满足的需求正在推动新材料的开发，这些新材料被设计和优化用于增材制造过程，并满足不同的最终用途应用要求和法规。
综上所述，许多适合注塑成型的塑料在增材制造中可能表现不佳或不可预测。
材料选择指南
虽然选择最终取决于每个应用程序和制造过程的要求，但以下可以被认为是主要类型的增材制造的候选材料的一般指南。
熔融沉积造型
熔融沉积建模包括将热塑性纤维加热到熔点，然后一层一层地挤压它，以创建一个三维物体。非晶树脂非常适合这种广泛使用的工艺，因为它们通常比半晶树脂收缩得更小。虽然非晶态树脂表现出良好的固结和均匀收缩，但半晶态材料的层倾向于不均匀收缩，收缩程度更大，这可能导致翘曲，导致制造零件的尺寸问题。
无定形树脂具有均匀的收缩和良好的固结性，非常适合于熔融沉积建模。基于ULTEM PEI, CYCOLAC ABS和LEXAN PC树脂的SABIC长丝可用于打印一系列高性能终端使用部件。
聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)通常用于桌面打印，而低/中温树脂如聚碳酸酯(PC)和PC/ABS，高温聚醚酰亚胺(PEI)和聚苯砜(PPSU)树脂经常被选择用于工业用途。用于工业印刷的较新的材料包括聚醚醚酮(PEEK)和Stratasys公司的ESD PEKK(聚醚酮酮)等高温塑料，以及碳纤维等增强强度和硬度的填料树脂。
选择性激光烧结
这种方法使用粉末热塑性塑料，用计算机控制的激光将其烧结成固体。在每个截面扫描后，将粉末层降低一层厚度，在上面涂一层新的材料，重复这个过程，直到零件完成。
这只机械手演示了SABIC新开发技术的使用，该技术允许选择性激光烧结PC材料，其机械性能与PA12相当。设计由Christopher Chappell提供，网址https://anthromod.com/
通常用于SLS的半结晶材料是聚酰胺(尼龙)，如PA12和PA11，因为它们提供了良好的“烧结窗口”，这是通过聚合物的熔化起始温度和结晶起始温度之间的差来计算的。聚酰胺的离散熔点和急剧下降的粘度使层之间的有效结合，从而产生良好的零件性能。相比之下，非晶材料逐渐软化，导致层固结不完全，零件密度较低，尺寸不一致，物理性能次优。
然而，聚酰胺可能不能满足某些应用的性能规格，限制了SLS在一系列生产应用中的用途。为了扩大SLS的范围，SABIC利用专有技术克服了传统非晶树脂的缺点。公司正在开发的产品，包括PC和PEI，具有更好的性能性能，如更高的热量和更好的抗冲击性能，可以成功地用于该过程。
宽幅增材制造
大尺寸增材制造(LFAM)，顾名思义，是用来生产非常大的零件。该过程使用颗粒原料直接从挤出机，可以安装在X/Y龙门或多轴机械臂。由于LFAM系统通常不封闭在加热室中，所以在冷却时表现出良好的熔体强度和最小收缩的树脂是首选，以避免零件的下垂和翘曲。碳纤维、玻璃纤维或矿物增强树脂几乎专门用于抗翘曲和提高尺寸稳定性。
在专门开发树脂以优化大版式印刷性能的过程中，橡树岭国家实验室和SABIC等组织评估了一系列基于ABS、PC、PEI和聚苯硫醚(PPS)的增强聚合物体系。
由于LFAM通常在环境条件下执行，处理器必须考虑每一层的热历史。如果层加得太慢，附着力就会降低。但如果层加得太快，零件就会因为过多的热量积聚而在自身重量下变形。具有低热膨胀系数(CTE)和良好熔体强度的材料往往是该工艺的良好候选材料。
有限元
该技术依赖于光聚合;聚合物分子在紫外线照射下发生的交联反应。紫外线激光在一桶光敏液体树脂的表面画出图案，固化树脂，形成零件的单层。打印床逐渐降低，填充树脂的刀片重新涂覆缸的表面，使一层未固化的树脂暴露在激光下。重复这个过程，直到零件完成。
虽然光致环氧树脂和丙烯酸树脂通常用于立体光刻，但一些材料缺乏长期的光稳定性，随着时间的推移会变脆。为提供更强劲的长期性能而进行的材料创新可以扩大该技术适用的应用数量。
惠普多喷嘴的融合
这种由惠普公司发明的专利工艺类似于SLS:它使用粉末树脂，但使用红外(IR)灯而不是激光。惠普声称，与熔融沉积建模和SLS相比，该技术可以将增材制造速度提高10倍，并降低成本。
多射流熔合(MJF)使用一个加热的粉末床和一个带有多个喷嘴的射流系统。熔断剂被喷射到粒子应该熔合在一起的地方。喷射细化剂以提高零件分辨率/细节和表面光滑度。当红外线灯通过粉末床的表面时，喷射的材料捕获热量，并帮助它均匀分布。
像SLS一样，MJF使用半结晶树脂——通常是尼龙，如PA12。惠普正在开发特殊材料，如惠普3D高可重复使用的pa12玻璃微珠和惠普3D高可重复使用的pa11玻璃微珠，以及为未来开发弹性体和PP材料
碳剪辑过程
惠普正在改进基于粉末的工艺，以实现生产部件的增材制造，而连续液体界面生产(CLIP)是Carbon公司的一种专有工艺，是对立体光刻技术的增强，也有望推动行业向前发展。根据Carbon公司的说法，CLIP“利用光和氧气从树脂池中持续生长物体，而不是一层一层地打印”。优点包括更快的速度，一致的力学性能(避免熔融沉积建模中不同轴的各向异性问题)和使用广泛的光聚合物的能力。
增材制造的最佳实践
因为每一种增材制造工艺都有其优点和局限性，所以对于设计师来说，在项目早期与材料供应商和打印机制造商合作是很重要的。最好的做法是与在几种不同的增材制造工艺方面具有专业知识的材料供应商合作，这样可以更容易地比较替代品。一家提供设计、应用开发和测试能力等资源的塑料供应商可以帮助缩小选择范围。
此外，像Senvol4这样的数据库包括工业增材制造机器和材料的全面信息。他们可以帮助公司为特定的应用选择合适的机器和材料。
在增材制造的新兴领域，当确定打印零件的最佳方式时，材料、工艺和设计都是同样重要的考虑因素。了解该部件是用于原型设计还是用于生产，将导致某些选择，以及最终部件的性能要求的确定。
目前，熔融沉积模型有最广泛的商业可用工程热塑性塑料的选择，可以满足不同的功能性能。然而，SLS和立体光刻技术提供了更大的各向同性性质和更好的打印分辨率，导致更好的表面质量。设计的复杂性和打印精细特征的能力，以及达到所需的表面光洁度，也有助于决定工艺，在某些情况下，决定材料。
在确定最佳的商用材料和印刷技术之前，必须全面了解零件的要求和权衡。
推动工业化
增材制造的主要趋势是走向工业化——从原型或有限的零件数量发展到全面生产。虽然这一转变还处于早期阶段，但已经有几个著名的早期采用者——即航空航天、汽车和医疗保健。一旦大规模增材制造在速度、成本、效率和零件性能方面得到优化，预计许多其他行业也将加入这一转型。
增材制造的工业化带来了多种好处，如大规模定制的机会，零件整合和更大的设计自由，创造出传统工艺无法实现的零件。据波士顿咨询集团(Boston Consulting Group)称，增材制造技术“对于实现未来工厂的愿景至关重要，在这种愿景中，制造商通过应用新的设计原则、实施数字技术和整合整个价值链的流程来改善生产。”
实现工业化将需要不断改进设备、材料和软件，并从可靠的方法转变思维方式。今天的增材制造客户可能会因为有限的选择而不得不做出妥协，但在所有方面的强劲进展应该会扩大未来的选择。
沙特基础工业公司
www.sabic.com
参考文献
1惠普3D打印机和打印。http://www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers。
2 HP 3D打印材料。http://www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers/materials.html
3 Carbon3D引入无层3D打印的突破性技术CLIP。新闻稿。https://www.carbon3d.com/news/carbon3d-introduces-clip-breakthrough-technology-for-layerless-3d-printing/
为工业化增材制造做好准备。波士顿咨询集团。2017年4月5日。https://www.bcg.com/en-us/publications/2017/lean-manufacturing-industry-4.0-get-ready-for-industrialized-additive-manufacturing.aspx
了下:3D打印•增材制造•立体光刻
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