高性能3D打印材料指南（二）

雖然聚乳酸（PLA）是3D打印中最常用的塑料，但與高性能3D打印聚合物相比，聚乳酸（PLA）還是相形見絀。有幾十種三維打印塑料具有超高的強度、耐用性、耐磨性、耐熱性、生物相容性以及您的最終零件或功能原型可能需要的其他屬性。

今天魔猴網(wǎng)整理了幾種 3D 打印高性能聚合物相結(jié)合所獲得的獨特屬性。

采用 PEEK、PAEK、PEKK 或 PEI 等高溫材料 3D 打印的工業(yè)組件需要高溫 3D 打印機（來源：3DGence）

從航空航天到汽車再到醫(yī)療保健，越來越多的行業(yè)正在使用3D打印技術打印需要特定性能的終端零件。對于結(jié)構(gòu)部件、設備備件、醫(yī)療植入物和工廠模具來說，3D 打印正促使它們從金屬轉(zhuǎn)向非金屬。事實上，高性能聚合物在越來越多的應用中被證明優(yōu)于金屬部件，因為它們比金屬部件更輕，生產(chǎn)成本更低，生產(chǎn)速度更快。

3D打印聚合物部件通常更耐用；更耐腐蝕、耐化學腐蝕和耐熱；在高溫或零度以下具有更高的沖擊強度；與金屬相比，具有更高的電絕緣性和噪音抑制性。聚合物還可以進行定制，制造出金屬通常無法實現(xiàn)的形狀，并且可以通過 3D 打印來整合部件，因此無需組裝或焊接。

在這篇高性能材料概述中，我們將介紹目前用于增材制造的頂級聚合物的特性，幫助您做出最佳選擇。

一、什么是高性能材料？

使用 Minifactory Ultra 用 PEEK 打印的零件（來源：Minifactory）

說到塑料，"高性能 "一詞并不是一個科學的分類，對于包括哪些聚合物的說法也不盡相同。您可能會聽到工程級、技術聚合物或高性能塑料等術語，指的是比最常見的 3D 打印材料（如 PLA 和 ABS）具有更高強度、純度、剛度、耐磨性和耐化學性的材料。

除了種類繁多的聚合物之外，還有大量的聚合物混合物、用玻璃纖維或碳纖維增強的聚合物以及品牌復合材料。

一般來說，高性能塑料在高溫、高壓和腐蝕性化學品等惡劣環(huán)境下仍能保持理想的機械、熱和化學特性。換句話說，它們不會彎曲、翹曲、開裂或分裂。

二、高性能塑料有什么用途？

電動賽車 E0711-11 EVO 包含 90 多個使用 Intamsys 3D 打印機打印的高性能聚合物 3D 打印部件（來源：Intamsys）

由于成本高昂，高性能塑料最常用于制造終端功能部件。它們也被用作最終將由金屬、玻璃或大規(guī)模生產(chǎn)的部件（如汽車部件原型）的功能原型。如今，高性能聚合物已成為銅、黃銅、鈦和鋁等高成本且對環(huán)境不可持續(xù)的金屬的替代品，它們具有抗氧化、抗腐蝕和抗化學污染的特性。它們對熱的反應也不同于金屬，這在從醫(yī)療植入物到電機的各種應用中都是一個優(yōu)勢。

讓我們來看幾個具體的例子。

賽車運動中的快速原型制造

在一個依賴于多次實驗設計迭代的行業(yè)中，能夠快速打印出實際經(jīng)受住功能測試的原型部件，能讓賽車隊更快地進行創(chuàng)新。此外，由于材料的非導電性，更多最終使用的高性能 3D 打印部件正在進入賽道和電動賽車。

最近的一個例子是摩托車賽車隊 Ducati Corse 使用 3D 打印高性能材料為 Ducati Panigale V4 R 超級摩托車制造水箱隔熱罩。該功能原型部件要求耐熱溫度高達 700oC，通常是通過手工層壓模具中的碳纖維預浸料制成的。通過與 3D 打印機制造商 Roboze 合作，該團隊以更快的速度用碳-PEEK 3D 打印出了該部件，并完全省去了模具階段。

"Ducati Corse 車輛動力學和設計經(jīng)理 Riccardo Savin 說："得益于 Roboze 用于超級聚合物和復合材料的 3D 打印技術，我們能夠大大加快具有驚人機械性能的空氣動力學部件的生產(chǎn)速度。

制造一級方程式賽車的邁凱輪車隊與 3D 打印機制造商 Stratasys 合作，用碳纖維增強尼龍 12 材料生產(chǎn)空氣動力鏟和葉片。該公司表示，增材制造工藝將零件的交付周期從 29 天縮短到了 5 天，同時還將相關成本降低了約 25%。在另一個案例中，與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D 打印前制動導管的交付周期縮短了 60%，成本降低了 85%。

"使用增材制造技術，而不是加工金屬或聚合物，可以讓我們以更少的人員快速獲得部件。更少的時間、更少的人員、更少的材料、更少的浪費，"邁凱輪設計與開發(fā)總監(jiān)尼爾-奧特利（Neil Oatley）總結(jié)道。

Hexcel 的 HexPEKK 材料用于制造一系列比金屬更輕的航空航天部件（來源：Hexcel）

航空航天領域的輕量化

用堅固的高性能塑料部件代替金屬部件，可顯著降低飛機、航天器和衛(wèi)星的重量，從而提高燃料和尺寸效率。高性能塑料與創(chuàng)造性設計相結(jié)合，可制造出材料用量更少但強度高于鋁的部件，如支架和壁。高性能塑料，如可用溫度范圍為 -184 oC 至 149 oC 的 PEEK，是外太空惡劣條件下的理想選擇。

事實上，3D 打印的 PEEK 部件（由 Orion AM 打?。⒂?2023 年 4 月登陸月球，作為研究各種材料在惡劣的月球環(huán)境中如何發(fā)揮作用的一部分。之所以選擇 PEEK，是因為它足夠堅固，在某些情況下可以替代金屬零件，而且眾所周知它可以抵御太空環(huán)境。

快速生產(chǎn)模具和工具

3D 打印復雜的注塑模具和模具，尤其是用于獨特或短期生產(chǎn)的模具和模具，與數(shù)控銑削相比，成本更低，速度更快。此外，快速三維打印還不會造成材料浪費，使制造商能夠為客戶提供更多定制選項。

制造商們發(fā)現(xiàn)，在機床組裝工藝中，高性能塑料完全可以與金屬相媲美，而且它們可以在內(nèi)部或 3D 打印服務機構(gòu)中以更快的速度打印出來，價格也只是后者的一小部分。

Hymer露營車與巴斯夫Forward AM公司合作，將高性能材料用于該車的100多個3D打印部件，實現(xiàn)了概念車的輕量化（資料來源：Forward AM公司）

患者專用植入物

生物相容性高性能聚合物可用于無數(shù)定制設計的植入物，以滿足患者的特定需求。與銑削加工相比，增材制造生產(chǎn)這些部件的速度更快，材料浪費更少。由于具有骨整合性，3D 打印的 PEEK 已用于患者的骨替代。

瑞士 KYON 公司生產(chǎn)的最新一代無骨水泥髖關節(jié)假體可永久用于貓狗。該創(chuàng)新技術的核心是由贏創(chuàng)的 Vestakeep PEEK 生物材料制成的摩擦片（來源：KYON）

管道和水處理系統(tǒng)

堅固的高性能聚合物可以在加壓熱水應用中替代黃銅，并通過消除重金屬的腐蝕和污染并提供更可持續(xù)的材料解決方案，與金屬相比具有明顯的優(yōu)勢。其出色的抗氧化性為需要持續(xù)暴露于熱氯化水或海水的應用提供持久、持久的性能。

伏特加釀酒廠 Our/Vodka 選擇 3DVerkstan 由 PEI 制成的 3D 打印部件用于滅菌過程（來源：MiniFactory）

三、如何使用高性能材料進行打印

當今先進的工業(yè)三維打印機消除了使用先進材料打印時的大量試驗和錯誤（來源：AON3D）

當然，要在最終部件中獲得所需的特性，就必須正確打印。對于高性能材料，您不僅需要特別注意熱端、加熱床和加熱室的溫度，還需要注意打印速度以及零件冷卻的快慢。這些變量還與打印的內(nèi)容有關，例如打印壁的厚度和打印層的高度。

但不要因為高性能材料的技術要求而氣餒。事實上，如今的高溫工業(yè)三維打印機已經(jīng)自動完成了大量的打印工作，而且許多公司會與您合作，就如何使用高性能材料進行打印提供建議。Stratasys、Roboze、Aon3D 等打印機制造商已經(jīng)在他們的機器上使用高性能材料打印了數(shù)百個小時，他們可以通過為機器推薦理想的打印參數(shù)，讓您避免浪費時間和昂貴的材料。

最佳工業(yè) FDM 3D 打印機

如果您的打印機不是專門為高性能材料設計的，那么您需要進行更多的實驗才能獲得高質(zhì)量的打印效果。如果您的打印機不能保持高于 300 oC 的穩(wěn)定熱端溫度、高于 100 oC 的穩(wěn)定床層溫度以及高于 90 oC 的主動加熱室溫度，那么高性能材料只會給您帶來挫敗感。

材料的準備和養(yǎng)護也至關重要。高性能聚合物需要保存在受控環(huán)境中，加工前通常需要長時間干燥。

在尋求打印部件的最佳結(jié)果時，加熱室是最重要的功能之一（來源：MiniFactory） 

四、所有品牌的高性能聚合物不盡相同

采用高性能材料 3D 打印的工業(yè)零件（來源：Intamsys）

在選購高性能材料時要注意的一點是，您制作的最終部件是否會用于受管制的行業(yè)。雖然 PPSU 具有生物相容性，但并不意味著所有的 PPSU 長絲都經(jīng)過醫(yī)學生物相容性認證和批準。個別材料制造商必須將其特定材料提交監(jiān)管機構(gòu)審批，因此請務必檢查您的長絲品牌是否具有這些認證。

例如，蘇威 Radel PPSU 長絲已獲得 FDA 批準，可用于 24 小時皮膚接觸的醫(yī)療保健應用，但并非所有 PPSU 長絲都獲得 FDA 批準。

最安全的做法是與耗材公司合作，進一步了解其材料的特性、用途和批準的經(jīng)銷商。

編譯整理：ALL3DP