你不知道的3D打印新技术：挑战探月考验和汽车极端需求

3D打印，或称为增材制造（AM），可以快速进行复杂几何形状产品的原型制作和小批量生产，让众多行业受益良多。塑料改性材料是3D打印技术发展的关键基础，不仅是因为它们具有多功能、价格可负担和方便加工等优势，还因为它们提供了大量产品所需的性能，可以根据需要进行调整以适合多种应用。

 

标题图：使用 CRP Technology 公司的 Windform 选择性激光烧结技术生产的聚酰胺波纹管（© CRP TECHNOLOGY）

 

虽然 3D 打印仍被认为是一项利基技术，不会很快取代注塑或吹塑等大规模生产工艺，但它正以稳定的速度增长。聚乳酸（PLA）是一种常用的打印材料，方便使用，是业余爱好者在家打印的理想选择。这种材料还被广泛用于汽车行业的原型制作以及家居装饰和家具行业。恰当的改性技术和成分组合可以提高聚乳酸在最终应用中的耐热性、抗冲击性、耐用性、尺寸稳定性和生物降解性等。

 

图1：使用黑色 PETG 打印的猫模型。右侧的猫使用 Insight TCA112 低光泽 PETG 色母（©INSIGHT）

PLA 改性材料生产企业 TotalEnergies Corbion 的全球市场部门主管 Seda Cantekin 表示：“在我们看来，高速打印是3D打印的最新趋势之一。如果高速打印树脂/丝材成为行业标准，它们将为行业带来更多价值，如更快的交付周期、更少的材料消耗和更少的二氧化碳排放。含有回收聚乳酸的打印丝材也越来越受到打印客户的青睐。 ”

 
3D打印聚合物发展的四个主题

总部位于美国的Insight Polymers & Compounding公司认为3D打印聚合物发展有四个主题，且随着聚乳酸和PETG等基本材料的发展，其中有些主题已经延伸到了共聚物。PETG是一种可回收聚合物，非常适合回收部件。2023 年，Insight Polymers & Compounding公司安装了一条 18 毫米挤出生产线，以便能够加工可持续生物纤维、填料和复合材料，并在今年推出了 PETG 和 PLA 低光泽色母粒（图1）。

第二个新兴主题是开发用于替代金属的聚合物。第三个主题是 3D 打印除了传统上的用于原型开发，还逐步用于打印完整的功能性成品。Insight Polymers 的联合创始人兼创新总监Jeremy Lizotte说：“为了实现这个转变，我们必须处理一些以前看起来不太重要的因素。这些因素包括外观，例如低光泽度、色彩效果和表面特性。由于聚合物必须提供成品而非原型所需的长期功能，因此高温性能、长期外观品质和其它长期性能都更为重要。”

第四个主题与 3D 打印部件尺寸的增长有关。过去，大多数 3D 打印都是打印相对较小的物体。随着尺寸的增大，尺寸稳定性变得越来越重要。

该公司表示，它还在开发用于大面积增材制造（BAAM）的超高粘度 PET 玻璃纤维材料。联合创始人兼运营总监 AJ Pasquale 说：“随着更新、更先进的 3D 打印技术不断发展，它们需要与工艺相匹配的材料，反之亦然。3D打印在设备和材料方面都在不断发展。”  

生物基3D打印粉末

赢创已经开发出一种用于 3D 打印的 PA12 粉末 Infinam eCO，基于质量平衡法，这种粉末可以用生物基原材料 100% 地替代化石原料。该公司表示，与 Infinam Terra 开发级相比，其二氧化碳排放量减少了 74%。

全球每年产生的废食用油超过 1500 万吨，废食用油可用作化工生产原料的一种成分。赢创称，通过在 Infinam eCO PA12 的生产过程中使用废食用油，公司开发出了一种比以前的 PA12 产品更具可持续性的材料。该公司表示，Infinam eCO PA12除了表现出出色的加工性和稳定的机械性能外，该牌号的支撑结构粉末还经证实可实现100% 的复用率，在经过多个打印周期后，旧粉与新粉的复用率仍可达到 70/30。

赢创增材制造创新增长领域主管 Dominic Störkle 表示：“真正的循环性是未来成功的关键。赢创开发了全新的PA12粉末配方，可以推动增材制造领域的循环塑料经济。随着Infinam eCO PA12的推出，我们已经大大超越化学的边界，开始实现材料循环闭环。”

 工业级3D打印要求打印部件要与注塑的性能水平相当。激光烧结等粉末床工艺提供了几乎无限的几何自由度，这一点很有必要，因为许多部件最初是为注塑成型设计的，它们具有复杂的几何形状。  

增强聚酰胺

赢创表示，从职业安全的角度来看，处理未集束的极细纤维或者说极小的针存在风险，因此无法获得工业3D 打印公司的内部批准。为了解决这一问题，Lehvoss 与赢创合作开发了一种复合碳纤维增强PA613。该PA613 基材专为激光烧结而设计，具有吸湿性低、温度稳定性高的特点，与 PA6 不同的是，它在激光烧结过程中具有很高的工艺稳定性。纤维增强材料由高强度 XCF 纤维组成，这种纤维曾用于 Luvocom XCF 注塑成型产品。赢创表示，在粉末生产方面，公司开发并使用了新的颗粒技术，得以尽可能保留单个颗粒中的纤维长度。

打印 Luvosint PA613 9711 CF 所需的构建室温度为 195°C，适用标准的激光烧结设备。Lehvoss 集团 Luvosint 产品经理 Marcus Rechberger 说：“首批汽车原始设备制造商已经批准了用3D打印来制造备件，这表明我们的发展方向是正确的。不过，在激光烧结领域，我们仍然需要创新的意愿，以便开发出更多工业级3D打印材料，包括为此进行优化的机器，从而将工业级3D打印技术系列化。”

 

可满足高性能汽车的典型极端要求

在3月于意大利都灵举行的第 27 届车辆和运输技术创新大会（Vehicles and Transportation Technology Innovation Meeting）上，3D 打印服务供应商CRP Technology 进一步强调了选择性激光烧结与其 Windform 系列热塑性复合材料相结合的优势。Windform 是一种用玻璃纤维增强的聚酰胺材料，特别适用于要求材料必须能够长时间弯曲而不损坏的场合。该材料的其它优点还包括：轻量、在大温度范围内（-35°C 至 +191°C ）保持弹性、机械性能优异，这些性能包括高强度、抗冲击性、热稳定性、防潮性、减振性和耐腐蚀性。该公司表示，这种材料还具有出色的电绝缘性能，介电常数和介电强度测试表明，介电常数约为 4，可承受的峰值电压至少为 2.5 kV/mm。这些结果对于电气应用来说意义重大，因为在电气应用中，保持介电常数在 4 左右至关重要，尤其是在高压全电动汽车中。Windform 材料已用于超级跑车，可满足高性能汽车的典型极端要求。此外，混合动力推进系统中也越来越多地使用 Windform 3D 打印解决方案。

 

图2：CRP Technology 的 Windform 技术已用于赛车运动产品 ，例如DCE 的这款Nascar赛车的电气外壳（©CRP / DCE）

CRP Technology 首席执行官兼技术总监 Franco Cevolini 说：“开发 Windform 材料是为了帮助 CRP的赛车客户应对日常挑战。这些材料最初被用来制造风洞试验的优质部件，后来在生产超强赛车部件方面发挥了重要作用（图2）。优越的性能将 Windform 复合材料推向了汽车和航空航天等先进工业领域的前沿。近年来，作为领先的 3D 打印服务商，CRP Technology 用他们拥有的专业技术与 Windform 材料提供先进的解决方案，为超级跑车和混合动力推进领域的突破性创新铺平了道路。”

Windform 还被用于制造管道、无人机和矫形器等各种物品。CRP 与 MHOX 合作开发的矫形器在今年 3 月于比利时举行的超级动力设计展（SuperPower Design）上展出。2023 年，CRP 推出了 Windform XT 2.0 IMG，这是一种高性能复合材料，100% 从 Windform XT 2.0 工业级 3D 打印材料中回收。Cevolini 说：“一段时间以来，我们 CRP 技术公司一直在研究如何完全利用选择性激光烧结使用过的 Windform 粉末，这些使用过的粉末已不再符合我们高质量标准。”

 

更方便的3D打印新工艺

在去年11月于德国法兰克福举行的Formnext展会上，总部位于美国明尼苏达州的工业3D打印解决方案供应商Evolve Additive Solutions宣布正式推出新的零部件生产服务STEP Parts Now。该公司声称，这是目前市场上唯一一个能够提供保真度、表面光洁度、精度和材料特性，并且可稳定地大规模生产的增材制造工艺。客户现在可以通过一个专门的在线门户网站直接向Evolve询价和订购STEP零件，由该门户网站协调Evolve的战略合作伙伴及其在美国和德国的STEP生产中心进行零件的生产。

“我们推出的 STEP Parts Now 远不止是零件服务，”Evolve 走向市场业务部高级副总裁 Jeff Hanson 说，“我们正在努力普及一种新技术类别，将这些新的增材制造技术真正运用于生产，最终实现过去我们对行业在材料、功能和规模生产性方面所做出的承诺。”

除了推出 STEP Parts Now 之外，Evolve 还宣布将推出两种新材料：尼龙 PA-11(A) 和灰色 ABS。新推出的灰色ABS材料是对Evolve现有黑色ABS材料的补充，其机械性能与注塑ABS材料的差别在10%以内，同时在精细特征和纹理方面表现出结构上的色彩对比。而PA-11(A)与粉末床熔融PA-11相比具有显著的机械性能优势，包括更高的断裂伸长率、冲击强度和热变形温度。

 

飞上月球的3D打印技术

最近的发展表明，3D 打印技术的应用领域确实是无限的。今年 3 月，Stratasys 公司宣布为即将进行的探月计划提供 3D 打印材料，以测试其在月球表面的性能。这些实验是Aegis Aerospace公司首次太空科学与技术评估设施任务（SSTEF-1）的一部分，SSTEF-1是美国国家航空航天局（NASA）“临界点 （Tipping Point ）”计划下开发的一项商业太空测试服务。Stratasys 将为这次探月任务提供 3D 打印的样品，这些样品装在一个用 ULTEM 9085 热塑性塑料3D打印的零件上（图3），由无人着陆器带到月球表面，ULTEM 9085 热塑性塑料也是一种常用于商用飞机内饰的材料。

 

图3：用FDM Antero 840CN03 打印的辐射实验外壳将被带上月球，红色部分用ULTEM 9085打印（©STRATASYS）

三种材料将成为两个不同实验的重点。第一项实验将评估使用 Stratasys 的 Antero 800NA FDM 钨填充丝材制成的样品零件的性能。Antero 800NA 是一种基于 PEKK 的高性能热塑性塑料，具有出色的机械性能、耐化学性和低排放特性。添加钨的目的是屏蔽伽马射线或 X 射线等有害辐射。

第二个实验旨在了解 3D 打印材料在太空中的性能，将采用 Antero 840CN03 FDM 丝材，该丝材具有静电放电（ESD）特性，可用于电子产品。该实验还将包括由 Stratasys 合作伙伴汉高（Henkel）生产的新型 ESD 光敏聚合物，该聚合物用于 Origin One 3D 打印机，专为高热环境而设计。该实验将使 3D 打印材料的样品零件置于月球尘埃、低压和温度快速波动的环境中接受测试。

首席工业业务官Rich Garrity表示：“增材制造是太空任务的一项重要技术，在太空任务中，每一盎司的重量都很重要，而高性能则是必不可少的。这组实验将帮助我们了解如何充分利用 3D 打印技术，让我们在前往月球及更远的地方时保证人员和设备的安全。 ”

Stratasys 产品经理 Aric Yackly 说：“3D打印光敏聚合物的特点是多样性和功能性。我们研发出了具有更强耐温性、韧性以及阻燃和电绝缘等特殊性能的材料。各种测试结果表明，这些材料的抗应力和抗冲击性能得到了提高，而且性能能够长期保持。现在开发的重点正在转向特定应用的定制材料。目前正在导热性、尺寸稳定性和可持续配方等领域进行创新。

 

我们的目标是利用光敏聚合物的独特性能，如较低的热膨胀性和优异的耐化学性，开发出性能方面可以媲美、甚至超越传统材料的光敏聚合物。交联光敏聚合物在3D 打印中的发展轨迹与几十年前的热塑性塑料相似：随着研发工作的蓬勃开展，这些材料将为各行各业带来革命性的变化，变革历程与热塑性塑料的如出一辙，这预示着制造业和材料科学的新时代即将到来。”

同样，总部位于美国马萨诸塞州的Markforged公司也发布了Vega，这是一种超高性能丝材，专为在Markforged公司的FX20打印机上进行航空制造而设计，不仅具有超高的强度，而且有望在减轻重量、提高成本效率和节省交货时间方面为客户带来巨大优势。Markforged公司首席执行官Shai Terem说：“Vega使用的是PEKK材料，这是一种在航空航天领域久经考验的材料，具有出色的强度和刚度。我们相信，这种材料将成为高温热塑性塑料的打印质量标准，将增加我们 FX20 打印机的应用。”  

该公司表示，Vega是一种碳纤维填充聚合物，在强度、精度和表面质量方面有着良好的记录，是Markforged公司材料专业知识的结晶。凭借光滑的黑色亚光表面，该材料让航空航天的外观零件具有出色的表面。同时这种新型材料不易翘曲，并满足阻燃、烟雾和毒性（FST）要求。Vega 与 Markforged 的连续纤维增强技术相结合，在不牺牲强度的前提下提高了设计灵活性，为以前无法实现的新应用打开了大门。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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