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金属材料经过长时间发展，已经深入到了生活的方方面面，尤其在工业制造领域，金属材料具备非常好的机械强度，耐温性，耐老化，尺寸稳定等性能。航空航天、汽车、医疗等行业对材料的使用要求越来越高，在满足使用性能的前提下，对材料的应用也提出了新的需求，比如轻量化、 耐腐蚀性、安全性等。随着3D打印行业的发展，我们可以看到3D打印高性能塑料的应用场景日益丰富，越来越多的行业正在通过3D打印技术来解决生产制造过程中遇到的问题，那么通过3D打印技术制造的高性能热塑性塑料部件到底能不能替代传统工艺制造出来的金属部件呢？

远铸智能举办了《3D打印高性能热塑性塑料部件能否替代金属部件》线上专题研讨会，错过了不要担心，小远将干货整理好了，下面就跟着我一起回顾一下研讨会的精彩内容吧！

增材制造技术种类

增材制造工艺种类很多，其中FFF/FDM 3D打印技术以其自身灵活性和多功能性而闻名，该技术的成型原理并不复杂，FFF/FDM工艺是通过高温喷嘴熔融并挤出塑料线材，线材在打印平台上经过堆积、冷却、固化这一过程，逐层叠加得到实体。因为使用的原材料是基于发展已有120余年历史的塑料，所以通过FFF/FDM工艺打印打印出来的零部件，针对各种环境有不同的材料选择和功能特性，例如比较优异的机械性能、耐温性、耐化学性、耐摩擦性等等。

热塑性塑料的分类

01、工程塑料

现在市面上主流使用的FFF/FDM 3D打印材料，有工程材料和高性能特种材料之分。在常见的工程塑料中，比如PC，它具有非常好的耐磨性、耐温性以及耐油性。再比如ABS，使用成本只有PC的二分之一左右，加工性较好，且具备非常好的电镀性能，可以实现真空覆膜或者上漆工艺，后处理的空间比较大。除此之外，工程塑料之中也有尼龙，尼龙这个材料有非常好刚度、强度、耐磨性以及耐油性，一般会大量使用在一些汽车内外饰以及空调通风管道等场景，但是因为尼龙材料容易吸水，所以它的尺寸稳定性就相对较弱，吸潮后会变软，韧性变大。面对高湿场景的应用需求，我们可以考虑加入了碳纤的材料，比如尼龙12碳纤，它的平衡吸湿率只有0.6%左右，在日常的使用场景中，比如家用电器，能维持一个非常稳定的电气性能。此外，尼龙碳纤材料的刚度、强度以及尺寸稳定性比较好，适合对尺寸精度要求高的一些场景，比如定位工装。

02、高性能特种材料

当我们面对一些更加严苛的使用环境时，性能特征更强的材料就能为我们提供更多的选择。PPSU耐水解，能够承受100多次的蒸汽消毒不会损坏力学性能，通常在医疗器械领域拥有非常好的使用效果。在高温下具有高强度、高刚性、耐磨性和尺寸稳定性的ULTEM是许多行业的应用，其中ULTEM™ 1010由于电气性能，在电子行业应用的比较多，比如高温接插件，元器件卡座等。通过了美国FDA认证的，ULTEM™9085在航空航天领域应用也十分广泛，因为传统制造的一些局限性，通过传统工艺很难满足航空航天领域对轻量化和阻燃性的要求，ULTEM™9085就适用于制作航空零部件的备件比如排气管。

3D打印热塑性塑料件

如何通过结构优化实现金属替代

那么3D打印热塑性塑料件是如何做到强度优化以实现金属零部件的替代的呢？目前能够确切实现的强度优化方式有以下几种：

01

材料端：

•基于庞大的材料库，找到理想的材料

•基于指定的材料属性，从市场上寻找性能表现的材料

图：从工程塑料到高性能塑料可以满足各种不同场景的应用需求

02

工艺端：

•提高打印模型的密实度或者填充类型

•使用更大尺寸的喷嘴，实现更好的层间强度

•调整样件打印方向，避免Z向受力过载荷

•增加外壳厚度

图：①超过60%的模型密度对模型强度增加有限②小喷嘴表现表面质量有优势，大喷嘴大流量挤出的话强度有优势 ③调整打印方向后，就可以优化箭头方向的受力表现④增加壁厚可以提高拉伸强度和弯曲强度

03

设计端：

•避免应力集中

•减少精细结构的打印，配合二次机加实现样件成型

•基于有限元分析进行拓扑优化

3D打印塑料件和金属件的性能差异

阻燃性   

通常情况下，如果汽车能够减重10%，那么燃油节省量就能达到6-8%，材料的减重对节能减排来说意义重大，但是普通的工程塑料大部分易燃，会增加安全隐患，具备阻燃能力的塑料具备非常好的应用前景，尤其在当今新能源汽车领域，而且塑料先天的绝缘性也是一大优势。

耐化学性   

传统的制造方式为了满足金属材料在的摩擦条件下的一个长期使用，通常会使用润滑油来降低摩擦阻力，与此同时就会增加材料受腐蚀的风险。而塑料在耐磨性上具备先天的优势，比如高性能特种塑料PEEK，就具备自润滑的条件和干态下比较低的摩擦系数，以及良好的耐腐蚀性，它的一个耐化学性能堪比镍钢，仅溶于浓硫酸和浓硝酸等一些强腐蚀性的溶剂。

比强度   

3D打印材料跟金属相比的话，明显的一个区别莫过于强度和耐热，从上图的耐热曲线上我们可以看到，我们可以看到从能够耐温80℃的ABS到能够耐温高到260℃的PEEK话是，基本上能够满足我们日常环境中的使用需求。而PEEK在条件更为严苛的太空的环境下，还有其他的一些更好的性能表现。

此外，针对材料应用的疲劳强度，我们引入了一个概念，叫它比强度，比强度是指的是它的强度跟密度的一个比值，我们可以理解成在同样质量下的两个材料进行强度的一个比较。从上图中我们可以看到，像PEEK和PEI这两款材料，它们的比强度已经很接近我们传统行业里面钢的一个比差，所以即便是在一些受载比较大的应用场景，我们也是可以使用塑料去替代金属的。

表面电阻   

在常规的工业生产中，使用金属材料制作工装夹具也有着十分广泛的应用，但是通过开模工艺制作金属工装的时间周期比较长，成本也比较高，其中还有一个比较常见的需求是防静电。在这种情况下，使用塑料3D打印制作工装也是一个非常不错的选择，像一些常规的工程塑料，都有比较高的表面电阻率，也就是我们熟知的绝缘材料，所以在生产流程中会存在放电的风险。那么塑料是否能够也具备一些防静电的性能呢？答案是肯定的。目前我们主流的方式，是通过物理改性来让塑料实现达到防静电的效果，比如在原料中加入碳纤维、纳米管，甚至是石墨烯，或者选择一些比较吸湿的材料，正如我们前面提到的尼龙材料，它在吸湿后导电率会有所提升，但是就会因此牺牲一些精度。

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