工程塑料在机械性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等方面能达到更高的要求，而且加工更方便并可替代金属材料。工程塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。本期，结合3D打印塑料领域的两家典型企业Stratasys与Polymaker，3D科学谷与谷友一起来感受工程塑料的3D打印进入工业领域的应用趋势。

Stratasys

打印工艺方面，Stratasys的全资子公司Evolve Additive Solutions推出了高速塑料3D打印工艺。该公司自2009年以来一直在开发快速增材制造技术（EPSD）。

材料方面，Stratasys拥有一系列工程级塑料以满足性能要求苛刻的工业应用场景需求。

-- FDM 热塑性塑料 – 使用生产级别材料打印耐用零件

ULTEM 9085：高性能部件

具有完善良好的的耐热性（达153°C）、机械强度以及化学抗性性质。应用包括功能性原型、制造工具以及小批量高价值生产部件。

FDM 尼龙 6：坚韧部件

综合了各种 FDM 材料的强度和韧度，更出色的抗疲劳性断裂延伸率，适合用于打印耐用原型、可经受严苛生产环境的制造工具以及可满足高功能要求的小批量部件。

ASA：高机械强度

ASA 是一种生产级热塑性塑料，具有 10 种耐褪色的颜色，有较高的机械强度和紫外线稳定性，可构建耐用的原型进行拟合、形状和功能性测试，或者制作最终用途零件。

PC – ABS

结合了PC材料的强度与耐热性以及 ABS材料 的柔韧性，也具备良好的特征定义与表面光洁度。能够制作出更高强度的部件，进而确保更好地进行测试以及制作出模拟最终产品材料性能的原型。

碳纤维增强尼龙材料

Stratasys公司用于FDM 3D打印技术的尼龙12CF材料，含有多达35%的碳纤维，因此各种属性都非常优异，比如最终拉伸强度为76兆帕（MPA），拉伸模量为7529兆帕，抗弯强度为142兆帕，足以在许多应用中取代金属，非常适合汽车、航空航天等行业。这种碳纤维增强热塑性材料，用于生产高性能原型，能够在设计验证过程中经受生产零件的严格测试 满足生产环境的苛刻要求，并可应用于生产线上的夹具制造。

-- PolyJet 材料 – 数百种不同属性选择

数字 ABS

将耐高温与高韧性的特性结合，模拟标准 ABS 塑料，制作真实、精密、具有韧性和耐热特性的工具和原型。在厚度不到 1.2 mm (0.047 in.) 的壁中刚度和韧性均表现出色。

Polymaker

解决高性能材料在3D打印工艺中的经济性问题，是Polymaker正在努力且需要不断努力的方向，目前，Polymaker主要有两大应用板块，Polymaker消费板块 和 Polymaker工业板块。

Polymaker消费板块是最早推向市场的业务板块，目标客户主要是一些设计师、工程师和创客等。这也是3D打印开始普及时的主要市场。

工业应用板块方面，Polymaker在2017年初推出了Polymaker Industrial的产品线，其以开发兼顾高性能与经济性的先进材料为目标，包含了超过4大产品体系和超过20种不同的3D打印工程塑料及应用解决方案。

Polymaker PC

PC （聚碳酸酯），是目前最被广泛使用的高性能聚合物材料之一，拥有良好的力学和热学性能。可是即便PC具备如此优良的性能，其在3D打印中还并没有被大量地应用。其主要原因是受制于传统PC材料的一些特性，令其很难适用于3D打印。

为解决PC材料与3D打印匹配适用性的难题，2016年，Polymaker与Covestro公司开展了合作，推出了PC-Plus和PC-Max两款产品。在保持了PC高性能的同时，大幅度降低了其进行打印的难度。

一般通用PC材料在进行3D打印时，需要腔体加热至110-120℃，打印平台加热至120-150℃。而Polymaker PC在这两方面的温度要求仅为70-80℃和80-110℃。

这就意味着一般准工业级别的FDM/FFF打印机就可以顺利打印PC材料了，甚至于目前一些桌面级3D打印机也可以使用Polymaker的PC材料。而如果使用传统的PC材料，在硬件方面的投入相比起来将会是极其巨大的。

PolyCast™

PolyCast™是一款针对金属铸造应用推出的材料，Polymaker对于这款材料的定义是：快速，经济地制备金属件的解决方案。

传统的失蜡铸造在制作小批量产品时，会遇到两个难题：1. 成本高，主要是开模的成本 ；2. 周期长，一般需要2-4周才能完成开模并制作蜡模。 使用PolyCast™材料，便可以解决这些问题，无模具成本，并且很快就可以得到由PolyCast™材料制作的“蜡模”。

对于小批量制作，和制备一些复杂零件来说，Polycast™是一个很理想的解决方案。

PolyCast™材料有4个特性：

可抛光：结合Polysher™共同使用，能使打印件拥有可与注塑件媲美的光洁表面。

低灰分：PolyCast™材料在实际的铸造环境中测得的灰分数据为 0.003% ，可被极为充分彻底地烧除干净，铸造出无瑕疵的金属件。

低成本：无论与传统铸造工艺相比，还是与其他类型3D打印技术相比较，使用PolyCast™材料进行铸造的成本都更低。

易用性：PolyCast™材料极易打印，几乎市面所见线材3D打印机（FDM/FFF）都可以轻松打印这款材料。

PolyCast™应用案例：SO3D & 3D Sailing的用户通过PolyCast™技术生产帆船零件，实现零件非标准化的小批量生产。

PolyMide™ CoPA

PA尼龙也是最常见的工程塑料之一，有非常良好的机械性能，但在进行3D打印时，也需要腔体以及平台加热才能保证其在打印过程中不发生翘曲。这无疑又提高了尼龙材料的使用难度和使用成本。

经过不断地研发和创新，Polymaker使用Warp-Free™技术解决了尼龙易翘曲的难题，开发出防翘曲尼龙线材PolyMide™ CoPA， 使得FFF/FDM 3D打印机无需平台加热或是腔体加热，只要喷嘴温度能够达到250℃以上便可使用该款尼龙材料。

PolyMide™ CoPA应用案例：同济大学志远车队参加在新加坡举办的2018亚洲壳牌生态马拉松赛获得2项大奖：城市概念车最佳设计奖&原型车ICE组亚洲亚军。

图片：志远车队选择使用包括PolyMide™ CoPA在内的尼龙3D打印材料来制造赛车的结构件

在打造赛车时，志远车队需要选择低成本的小批量制造方案，来实现轻量化的设计理念。3D打印技术因此而成为了他们的理想方案。在材料选择方面，必须要满足车辆在热学和力学方面的较高要求。最终志远车队选择使用包括PolyMide™ CoPA在内的尼龙3D打印材料来制造赛车的结构件。

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近日，弗吉尼亚理工学院和科学院研究人员组成的研究人员通过3D打印的方法制造了一种超高强度的聚合物材料，因为它还在极端温度下保持很好的机械性能，因此可以在空间中大量使用。

通过这种新颖的3D打印方式制造的塑料可用作隔离太空飞船和卫星的高温聚合物材料，这使得太空飞船和卫星在极端的热和冷的环境下仍然正常运作。

这种材料名为Kapton，是由苯环内的碳和氢组成的芳族聚合物，具有出色的热稳定性和化学稳定性。Kapton最早是由美国杜邦公司（DuPont）生产的聚酰亚胺（PI)薄膜材料的商品名称。PI是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性等。

但是由于分子结构，Kapton材料基本以薄膜的方式生产出来，其他的任何形状都出人意料地难以生产。Kapton经常用于航天器、卫星和行星式飞轮的外包层的多层绝缘体，以保护它们免受极端的热和冷的破坏。

工程学院和科学学院的研究人员能够合成大分子，使它们保持稳定，并保持其热性能，从而适用于3D打印加工过程。理论上，这种高性能聚合物可以通过弗吉尼亚理工学院的3D打印技术形成任何形状、尺寸或结构。这使得这种材料的未来用途不限于航空航天工业。因为，当前相同的材料可以适用于数十种电子设备，包括手机和电视机中的使用。

工程学院机械工程系副教授，增材制造系统设计，研究与教育领域负责人Christopher Williams表示：“依靠传统的加工路线，工程师们只能制作这些材料的薄膜。现在可以3D打印这些材料，可以开始将它们设计和3D打印成更复杂的形状，这使得能够在更广泛的应用范围内利用其优异的性能。

目前在三维打印领域中使用的材料在极端的空间环境中不具有高强度和刚度。通常，可3D打印的工程塑料在约华氏300度环境下开始失去其机械强度。

研究团队表示，这种新型聚合物的机械性能可保持在680华氏度（约360摄氏度）以上。这种3D打印的材料具有与常规加工的薄膜Kapton材料相当的强度。

高级制造系统高级研究员Williams说：“我们可以想象这种材料用于卫星结构，作为高温过滤器或高温流量喷嘴。通过3D打印的制造工艺可以提供的广泛几何形状和微尺寸用来进一步改进现有的设计。比如，一个更轻便的卫星，一个提供最佳/高效流量的过滤器，一个具有设计流路的喷嘴，允许更大的退出速度和流体效率”。

图片：Goodwin Hall的DREAMS Lab实验室，副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram在3D打印设备前

 3D科学谷REVIEW

弗吉尼亚理工学院的这一发现的确进一步打开了塑料与金属竞争的市场空间。在当前的塑料替代金属的努力中，3D打印领域的一大派系是复合塑料材料，如碳纤维增强塑料或者玻璃纤维增强塑料的3D打印。另一大派系是高强度塑料，如PEEK。

图片：在塑料的性能金字塔上，PI处于高于PEEK的位置。

这其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料，这种PEKK材料“是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性，以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物”。由于具有这些令人印象深刻的特性，OPM将其与3D打印能够制造具有独特几何形状的物体的能力相结合，专门针对航空航天、运送、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。

针对航空航天及工业制造市场，牛津性能材料还开发了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性以及定制电性能的能力，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。在商业化方面，OPM已被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件。

3D打印领域的科技独角兽企业Carbon也推出了其氰酸酯树脂材料，这种材料是一种琥珀色的透明树脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面与PolyJet技术的打印表面相似），而且表面经过抛光后会更光亮。另一方面，氰酸酯树脂是一种具有热变形温度高达219°C的高性能材料。在高温下保持良好的强度、刚度和长期的热稳定性，适用于汽车和航空工业的模具和机械零件，例如发动机罩下的高温环境应用，以及电子和其他发热工业部件。

无论是通过复合增强的方式提升塑料的性能，还是开发新的高强度塑料，3D科学谷认为塑料替代金属的努力将继续进行，而3D打印与高强度塑料结合的价值在于，3D打印的自由曲面造型能力，这使得我们所熟悉的产品形状以更加紧凑、高效能的方式上演着另一场“进化论”。

关注塑料领域的进化演变，更多信息请参考3D科学谷发布的《3D打印塑料白皮书》。

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那么CLIP技术打印的塑料是否有同样的老化问题，他们的应用空间走向哪里？3D科学谷与谷友们先一起来看Carbon的氰酸酯（Cyanate Ester）树脂的3D打印产品测试情况, 点击链接观看视频》

在Carbon的视频里，我们可以看到氰酸酯在强制循环加热炉里的表现。上面的塑料是丙烯酸树脂的3D打印长条，下面的是氰酸酯树脂的3D打印长条。每个长条上都放置了一个200克重的物体。随着温度的升高，上面的丙烯酸树脂的长条逐渐变形，最后发生扭曲和折断，而下面的氰酸酯树脂则没有发生变化。

氰酸酯树脂是一种琥珀色的透明树脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面与PolyJet技术的打印表面相似），而且表面经过抛光后会更光亮。另一方面，氰酸酯树脂是一种具有热变形温度高达219°C的高性能材料。在高温下保持良好的强度、刚度和长期的热稳定性，适用于汽车和航空工业的模具和机械零件，例如发动机罩下的高温环境应用，以及电子和其他发热工业部件。

来源：Sculpteo

除了耐高温，打印精度是另外一个关键因素，Carbon M1的3D打印机可以打印薄如0.25毫米层厚的氰酸酯树脂。

除了上述的性能，为了解决树脂的脆性达到工程级力学性能，3D科学谷了解到Carbon通过在树脂材料中加入第二次热激活反应化学添加剂材料，使得树脂在固化过程中实现工程塑料的性能，从而带来高分辨率的零件并具备工程级的机械性能。

来源：Sculpteo

Carbon对于3D模型的建模要求与SLS的打印技术建模要求类似。不过，局限性也是存在的，3D科学谷了解到如果设计中有封闭的中空区域，在Carbon设备的打印过程中，这些液体树脂将被永久地被困在空腔内。为了避免这种情况，在设计的过程中就需要考虑设计空腔的开口，允许多余的未固化的树脂从出口中排出来。

与其他DLP 3D打印机类似，Carbon M1打印机对于那些悬伸部分也需要支撑材料。为了能够快速的清除支撑材料，在设计的过程中就需要考虑将支撑结构放在容易接触到位置。

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