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樹脂VS粉末:應該為3D打印選擇哪種材料?

時間:2023-01-13 11:24 來源:南極熊 作者:admin 閱讀:
      導讀:根據不同的3D打印工藝,可以使用不同的材料,但由于材料種類繁多,用戶選擇起來會十分困難。無論是塑料、陶瓷甚至金屬,3D 打印材料組合都可能是用戶踏入3D打印領域的第一道難題。因此,南極熊在這里直接比較了兩種聚合物材料:樹脂和粉末。要注意,當今市場上有許多粉末和樹脂材料,例如金屬粉末或者陶瓷樹脂,但本文只關注聚合物。



     有兩種類型的3D打印塑料:熱固性塑料和熱塑性塑料,這兩種材料的主要區別在于它們在受熱時的行為不同。熱固性塑料在固化時會分解,冷卻后不會再形成。另熱塑性塑料是最常用的,加熱后它們可以呈現所需的形狀并經歷各種熔化和凝固過程,每次重新加熱時它們的性能都會略有變化。

樹脂與粉末


△塑料粉末可用于許多領域,例如汽車行業(圖片來源:EOS

這兩類材料是增材制造中使用最多的材料。對于塑料粉末,根據 Linker 報告,到 2029 年,市場預計將達到30億美元;于樹脂,根據 Fortune Business Insights,到2029年,市場預計將超過7500億美元。每種材料都與不同的3D打印工藝兼容,例如用于粉末的激光熔融技術,以及用于樹脂的材料噴射或光聚合激素,下文將詳細介紹這些內容,以及后處理、定價、材料特性、制造商等等!

塑料粉末和樹脂的特性和性能
一、3D 打印聚合物樹脂

在目前的聚合物市場上,有不同的樹脂,根據其性能,在不同的領域有不同的應用。使用樹脂進行 3D 打印可以制造具有精細結構的小物體。市場上常用的樹脂包括:

標準樹脂:這些市場上最便宜和使用最廣泛的樹脂之一,易于加工和研磨,觸感柔軟。然而,它們也很脆弱,很容易破裂,主要用于快速原型制作。

柔性樹脂:它們通常用于可彎曲或壓縮的打印物體,具有極高的靈活性,可以調整肖氏硬度。

水洗樹脂:顧名思義,這些樹脂不需要用異丙醇洗掉,用水清洗即可,它們氣味低,表面干燥且粘性較低。

工業樹脂:適用于制造要求堅硬表面的零件,主要分為兩種:
       ▷耐溫樹脂:能夠承受高達 238 oC 的溫度,用于生產需要更多精度細節、高精度和高熱穩定性的原型。
       ▷燒結樹脂:這是一種具有高度細節和出色表面光潔度的樹脂,其固化過程比其他樹脂更快。主要特點是澆注后工序干凈,不留殘渣。

牙科樹脂:牙科領域有特殊樹脂,可以根據需要著色、透明、更靈活或更堅硬,用于牙橋、牙冠、保持器或夾板的制造,因此這些樹脂必須是可消毒的。


△樹脂在牙科行業中發揮著重要作用(圖片來源:Formlabs

二、3D打印聚合物粉末
在熱塑性聚合物粉末市場上,塑料種類繁多,其中尼龍最為常見:

尼龍:又稱聚酰胺,最常用的是PA12和PA11。這兩種類型的尼龍吸收水分很少,并且由于其阻力和摩擦力而被用于例如汽車工業。
      ▷尼龍 PA12:由石油制成,這種材料能夠承受劇烈的溫度變化,并能抵抗各種化學品的侵蝕。
      ▷尼龍 PA11:是一種生物基聚合物,含有蓖麻油,耐熱性好,彈性高,比PA12更環保。

PEEK:這是一種半結晶熱塑性塑料,因其機械性能、耐熱性和耐磨性以及由于其比強度高,能夠在工業界替代某些金屬。然而,它是一種難以加工的材料,尤其是在溫度方面。因此,這種材料主要用于汽車、航空航天醫療行業。

復合材料:復合材料由基體聚合物和短纖維或長纖維組成。最常用的是碳纖維和玻璃纖維,碳纖維是通過將聚合物與碳纖維混合制成的,從而產生更輕、更強和更硬的材料;玻璃纖維是聚合物與玻璃纖維的混合物,與碳纖維一樣堅固,但硬度較低且密度更高。

聚丙烯:這種熱塑性塑料 ( PP ) 也是半結晶的,其特點是耐化學品、良好的電絕緣性和重量輕,但由于必須控制其熱處理,因此難以印刷。

TPU:熱塑性聚氨酯是一種在加工過程中具有高耐用性和柔韌性的材料。盡管不能承受高溫,但也具有很高的抗沖擊、耐磨和加工能力。

塑料粉末的一個優勢是它們的可回收性。由于用于 SLS 和 MJF 的粉末是熱塑性塑料,因此可以在燒結過程后將它們篩分并與新粉末混合,以重復使用多余的材料,從而避免浪費。


△圖片來源:巴斯夫

3D 打印數字工作流程
一、樹脂

對于樹脂 3D 打印,最常用的方法之一是光聚合技術。這包括 SLA、DLP 和 LCD 工藝,并使用紫外線 (UV) 光固化樹脂,這些過程之間的區別在于所使用的光源。例如,SLA 使用激光逐點固化樹脂,而DLP使用投影儀在單個投影中固化整個樹脂托盤;與樹脂兼容的另一種完全不同的工藝是材料噴射技術,其中同時使用多種樹脂,包括使用透明樹脂的可能性。

現在我們需要談一談后處理,打印后,零件表面經常會有粘性樹脂殘留物,必須用溶劑清洗才能去除。異丙醇是最常用的溶劑,效果最好。打印人員還需要移除在設計過程中添加的任何支撐,當然這取決于零件的幾何形狀。這一步最好用鉗子完成。最后,由于并非所有固化反應都必須在打印后立即完成,因此由樹脂制成的部件必須經過額外的熱處理。這有很多方法,從簡單的光聚合(例如在陽光下)到使用固化設備都可以。固化時間因部件而異。最后,在精加工時,可以通過機械加工等表面處理平滑表面、加固零件本身,創造美觀的表面。

對于樹脂還有一點要特別說明,就是毒性,它在與皮膚接觸時經常會引起嚴重的刺激和過敏,尤其是當暴露在太陽的紫外線下時。處理樹脂時還要小心吸入蒸氣,由于它們的高毒性,可能會導致使用者頭暈,因此佩戴足夠的保護裝置很重要。


△樹脂的后處理步驟(圖片來源:Formlabs)

二、粉末
對于使用塑料粉末的 3D 打印,SLS、MJF 和 Stratasys 的 SAF 之間存在區別。在 SLS 技術中,在構建板上沉積一層薄薄的粉末后,使用激光選擇性地燒結粉末并固化選定區域。惠普的 Multi Jet Fusion 工藝,在涂上粉末層后,選擇性地將助熔劑沉積在顆粒要融合在一起的區域。同時,涂上細化劑可減少零件邊緣的融合,從而使邊緣干凈光滑。在 SAF(選擇性吸收聚變)的情況下,主要區別在于該技術使用高能吸收流體,一旦沉積,就會吸收能量。

與使用樹脂不同,聚合物粉末不需要支撐。事實上,3D 打印的部分在打印過程中處于所謂的“粉塊”中,因此得到支撐。在后處理過程種,第一步是從粉塊中取出零件。這涉及一個冷卻過程,根據零件的不同,該過程最多可能需要 10 個小時。然后是去除粉末,這一步可以手動完成,也可以使用機器自動完成。操作人員必須穿戴特殊防護設備,因為吸入粉末會導致健康危害,塑料部件還有許多其他精加工步驟,例如鍍鋅、噴漆或打磨。

塑料粉末和樹脂的價格區間
這兩種材料的價格在很大程度上取決于它們各自的性能和應用。500克標準黑色樹脂起價約為 25 美元,而一升則高達 400 多美元。塑料粉末的價格范圍:例如,PA 11 的價格在每公斤 75 到 320 美元之間。當使用塑料粉末打印時,它可以重復使用到一定比例,通常為 50%。

市場上有哪些制造商?
市場上有名的材料制造商是負責生產原材料的化學企業,以及隨后使用它們甚至有時甚至與化學集團合作開發它們的 3D 公司。

●就樹脂原材料而言,有名的材料制造商包括 Loctite Henkel 、Covestro Additive Manufacturing、BASF 和 Arkema,BASF 和 Arkema與 3D 打印機制造商合作并經常開發自己的材料。zortrax、Formlabs 和 EnvisionTEC 在這些方面做的也很不錯。

●對于塑料粉末,比較有名的供應商為Arkema、BASF、Evonik,它們與 HP 、 EOS合作。粉末制造商AM Polymers 或 Fabulous 在市場種也有一席之地。目前有更多的專有樹脂,因為一些樹脂機器仍然是封閉的,即它們只與制造商自己開發的材料兼容。

樹脂和粉末的應用
對于樹脂,應用場合一般是需要有一定精度要求的地方。例如,微小的零件,用于娛樂或珠寶等行業的更多彩色組件。樹脂在醫療領域也很受歡迎,尤其是在牙科領域,特別是用于制作手術導板、牙冠或植入物

就塑料粉末的可能應用而言,它們可以用于衛生領域。尼龍具有生物相容性,因此非常適合制造假肢,因為它可以與皮膚直接接觸。制造業也經常使用這類材料,因為它們用于功能性原型、中小型系列。例如,它可以用來制造齒輪甚至鉸鏈。


(責任編輯:admin)

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