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用3D打印聚合物代替金屬
閱讀：51 發(fā)布時間：2023-7-14用聚合物代替金屬不僅是可能的，而且變得越來越普遍。當(dāng)前一代的高性能聚合物和復(fù)合材料具有與鋁相似的機(jī)械性能，但重量僅為鋁的一小部分。此外，使用AON M2+等高溫3D打印機(jī)從這些聚合物增材制造零件的能力，通過降低傳統(tǒng)制造方法的復(fù)雜貨時間和成本限制，推動了進(jìn)一步的采用。
在本文中，我們解釋了金屬和聚合物之間的結(jié)構(gòu)差異如何影響其體積特性，并討論了已經(jīng)在一些的應(yīng)用中用于替代金屬的兩種聚合物。
用于航空航天的ULTEM™ 9085 Y型管道在AON M2+上3D打印，可在不犧牲零件強(qiáng)度或耐熱性的情況下大幅減輕重量
金屬和聚合物的區(qū)別是什么？
在我們討論哪種聚合物適合替代金屬之前，我們需要設(shè)定正確的期望。一些公司可能會夸大高性能聚合物的能力，而沒有考慮到金屬和聚合物的根本不同。區(qū)別如下：
聚合物
3D打印聚合物是熱塑性塑料，由彼此化學(xué)分離的聚合物鏈組成（鏈之間沒有分子鍵）。這些鏈條在物理上纏繞在一起，為整個材料提供了機(jī)械完整性。鏈還可以組織并折疊成晶體結(jié)構(gòu)，由于更大的分子間相互作用力，晶體結(jié)構(gòu)更難拉開。這就是為什么與無定形聚合物相比，半結(jié)晶聚合物在強(qiáng)度和剛度方面更好。
具有結(jié)晶和非晶區(qū)域的半結(jié)晶聚合物微觀結(jié)構(gòu)圖
五金
如果你把一種普通的金屬放在顯微鏡下，你會看到一個類似于下圖A的結(jié)構(gòu)。金屬由小晶粒組成，其中每個晶粒由一個晶格組成（圖B）。這些晶體由一系列金屬原子組成，這些金屬原子通過牢固的金屬鍵連接。原子的結(jié)合和組織成晶體是金屬天然堅固和堅硬的原因。通常，這些晶粒的大小和方向彼此不同，這兩者都會影響金屬的體積特性
金屬微觀結(jié)構(gòu)圖，顯示晶粒由在晶界相遇的單個晶體結(jié)構(gòu)組成。
總之，半結(jié)晶聚合物部分由晶體制成，而金屬包含許多取向不同的晶體（顆粒）。由于熱塑性聚合物鏈?zhǔn)腔瘜W(xué)分離的，因此吸引力比金屬中晶體之間的金屬鍵弱。因此，金屬更耐彈性變形（更硬），通常更耐溫。這就是為什么金屬一直是機(jī)械和熱應(yīng)用的默認(rèn)選擇的原因。但隨著我們設(shè)計出更*的熱塑性塑料，有效強(qiáng)度開始與金屬相匹配，在某些情況下甚至超過金屬。
兩種合適的金屬替代材料：PEEK和ULTEM™
PEEK和ULTEM™ 9085是兩種歡迎的聚合物，已被考慮用于替代金屬。下圖將這些材料與鋁6061進(jìn)行了比較，鋁6061是一種用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，汽車零件，海洋結(jié)構(gòu)和消費(fèi)品制造的合金。CF PEEK含有10%的碳纖維，可提高基線PEEK的強(qiáng)度和剛度。在這些行業(yè)中，金屬替代可以顯著減輕重量，同時保持所需的機(jī)械和熱性能。此外，與普通在役金屬相比，這些高溫?zé)崴苄运芰暇哂袃?yōu)異的耐化學(xué)性和耐腐蝕性。
比強(qiáng)度用于評估材料的拉伸強(qiáng)度與其密度的比較。熱塑性塑料的較高比強(qiáng)度允許重量更輕的部件，同時保持與金屬相同的強(qiáng)度特性。
連續(xù)使用溫度基于給定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和制造商技術(shù)表的每種材料的允許工作溫度。
我們可以看到PEEK和ULTEM™減輕了50-60%的重量，同時保持了高強(qiáng)度和高耐熱性。替代金屬意味著運(yùn)輸業(yè)可以節(jié)省更多燃料、降低碳排放或提高有效載荷能力。此外，這些材料具有高耐化學(xué)性、高抗沖擊性，符合 UL94-V0 可燃性等級，并符合 FAR 25.853 火焰、煙霧和毒性 （FST） 要求，這是航空航天和應(yīng)用的要求。
如何3D打印PEEK和ULTEM™
簡單地3D打印高性能材料并不能保證零件具有報告的機(jī)械，熱和化學(xué)性能。為了匹配這些特性，所選的3D打印機(jī)需要一個精確控制的高溫構(gòu)建室（132°C），500°C擠出機(jī)和可配置的打印表面。在低于 132°C 的溫度下打印會顯著降低零件強(qiáng)度和耐化學(xué)性，并且需要進(jìn)一步退火，其中翹曲是不可避免的。AON M2+是一款大型高溫工業(yè)3D打印機(jī)，經(jīng)過優(yōu)化，使PEEK和ULTEM™ 9085等高性能材料3D打印變得簡單易用。
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