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树脂VS粉末:应该为3D打印选择哪种材料?

时间:2023-01-13 11:24 来源:南极熊 作者:admin 阅读:
极光尔沃
      导读:根据不同的3D打印工艺,可以使用不同的材料,但由于材料种类繁多,用户选择起来会十分困难。无论是塑料、陶瓷甚至金属,3D 打印材料组合都可能是用户踏入3D打印领域的第一道难题。因此,南极熊在这里直接比较了两种聚合物材料:树脂和粉末。要注意,当今市场上有许多粉末和树脂材料,例如金属粉末或者陶瓷树脂,但本文只关注聚合物。



     有两种类型的3D打印塑料:热固性塑料和热塑性塑料,这两种材料的主要区别在于它们在受热时的行为不同。热固性塑料在固化时会分解,冷却后不会再形成。另热塑性塑料是最常用的,加热后它们可以呈现所需的形状并经历各种熔化和凝固过程,每次重新加热时它们的性能都会略有变化。

树脂与粉末


△塑料粉末可用于许多领域,例如汽车行业(图片来源:EOS

这两类材料是增材制造中使用最多的材料。对于塑料粉末,根据 Linker 报告,到 2029 年,市场预计将达到30亿美元;于树脂,根据 Fortune Business Insights,到2029年,市场预计将超过7500亿美元。每种材料都与不同的3D打印工艺兼容,例如用于粉末的激光熔融技术,以及用于树脂的材料喷射或光聚合激素,下文将详细介绍这些内容,以及后处理、定价、材料特性、制造商等等!

塑料粉末和树脂的特性和性能
一、3D 打印聚合物树脂

在目前的聚合物市场上,有不同的树脂,根据其性能,在不同的领域有不同的应用。使用树脂进行 3D 打印可以制造具有精细结构的小物体。市场上常用的树脂包括:

标准树脂:这些市场上最便宜和使用最广泛的树脂之一,易于加工和研磨,触感柔软。然而,它们也很脆弱,很容易破裂,主要用于快速原型制作。

柔性树脂:它们通常用于可弯曲或压缩的打印物体,具有极高的灵活性,可以调整肖氏硬度。

水洗树脂:顾名思义,这些树脂不需要用异丙醇洗掉,用水清洗即可,它们气味低,表面干燥且粘性较低。

工业树脂:适用于制造要求坚硬表面的零件,主要分为两种:
       ▷耐温树脂:能够承受高达 238 oC 的温度,用于生产需要更多精度细节、高精度和高热稳定性的原型。
       ▷烧结树脂:这是一种具有高度细节和出色表面光洁度的树脂,其固化过程比其他树脂更快。主要特点是浇注后工序干净,不留残渣。

牙科树脂:牙科领域有特殊树脂,可以根据需要着色、透明、更灵活或更坚硬,用于牙桥、牙冠、保持器或夹板的制造,因此这些树脂必须是可消毒的。


△树脂在牙科行业中发挥着重要作用(图片来源:Formlabs

二、3D打印聚合物粉末
在热塑性聚合物粉末市场上,塑料种类繁多,其中尼龙最为常见:

尼龙:又称聚酰胺,最常用的是PA12和PA11。这两种类型的尼龙吸收水分很少,并且由于其阻力和摩擦力而被用于例如汽车工业。
      ▷尼龙 PA12:由石油制成,这种材料能够承受剧烈的温度变化,并能抵抗各种化学品的侵蚀。
      ▷尼龙 PA11:是一种生物基聚合物,含有蓖麻油,耐热性好,弹性高,比PA12更环保。

PEEK:这是一种半结晶热塑性塑料,因其机械性能、耐热性和耐磨性以及由于其比强度高,能够在工业界替代某些金属。然而,它是一种难以加工的材料,尤其是在温度方面。因此,这种材料主要用于汽车、航空航天医疗行业。

复合材料:复合材料由基体聚合物和短纤维或长纤维组成。最常用的是碳纤维和玻璃纤维,碳纤维是通过将聚合物与碳纤维混合制成的,从而产生更轻、更强和更硬的材料;玻璃纤维是聚合物与玻璃纤维的混合物,与碳纤维一样坚固,但硬度较低且密度更高。

聚丙烯:这种热塑性塑料 ( PP ) 也是半结晶的,其特点是耐化学品、良好的电绝缘性和重量轻,但由于必须控制其热处理,因此难以印刷。

TPU:热塑性聚氨酯是一种在加工过程中具有高耐用性和柔韧性的材料。尽管不能承受高温,但也具有很高的抗冲击、耐磨和加工能力。

塑料粉末的一个优势是它们的可回收性。由于用于 SLS 和 MJF 的粉末是热塑性塑料,因此可以在烧结过程后将它们筛分并与新粉末混合,以重复使用多余的材料,从而避免浪费。


△图片来源:巴斯夫

3D 打印数字工作流程
一、树脂

对于树脂 3D 打印,最常用的方法之一是光聚合技术。这包括 SLA、DLP 和 LCD 工艺,并使用紫外线 (UV) 光固化树脂,这些过程之间的区别在于所使用的光源。例如,SLA 使用激光逐点固化树脂,而DLP使用投影仪在单个投影中固化整个树脂托盘;与树脂兼容的另一种完全不同的工艺是材料喷射技术,其中同时使用多种树脂,包括使用透明树脂的可能性。

现在我们需要谈一谈后处理,打印后,零件表面经常会有粘性树脂残留物,必须用溶剂清洗才能去除。异丙醇是最常用的溶剂,效果最好。打印人员还需要移除在设计过程中添加的任何支撑,当然这取决于零件的几何形状。这一步最好用钳子完成。最后,由于并非所有固化反应都必须在打印后立即完成,因此由树脂制成的部件必须经过额外的热处理。这有很多方法,从简单的光聚合(例如在阳光下)到使用固化设备都可以。固化时间因部件而异。最后,在精加工时,可以通过机械加工等表面处理平滑表面、加固零件本身,创造美观的表面。

对于树脂还有一点要特别说明,就是毒性,它在与皮肤接触时经常会引起严重的刺激和过敏,尤其是当暴露在太阳的紫外线下时。处理树脂时还要小心吸入蒸气,由于它们的高毒性,可能会导致使用者头晕,因此佩戴足够的保护装置很重要。


△树脂的后处理步骤(图片来源:Formlabs)

二、粉末
对于使用塑料粉末的 3D 打印,SLS、MJF 和 Stratasys 的 SAF 之间存在区别。在 SLS 技术中,在构建板上沉积一层薄薄的粉末后,使用激光选择性地烧结粉末并固化选定区域。惠普的 Multi Jet Fusion 工艺,在涂上粉末层后,选择性地将助熔剂沉积在颗粒要融合在一起的区域。同时,涂上细化剂可减少零件边缘的融合,从而使边缘干净光滑。在 SAF(选择性吸收聚变)的情况下,主要区别在于该技术使用高能吸收流体,一旦沉积,就会吸收能量。

与使用树脂不同,聚合物粉末不需要支撑。事实上,3D 打印的部分在打印过程中处于所谓的“粉块”中,因此得到支撑。在后处理过程种,第一步是从粉块中取出零件。这涉及一个冷却过程,根据零件的不同,该过程最多可能需要 10 个小时。然后是去除粉末,这一步可以手动完成,也可以使用机器自动完成。操作人员必须穿戴特殊防护设备,因为吸入粉末会导致健康危害,塑料部件还有许多其他精加工步骤,例如镀锌、喷漆或打磨。

塑料粉末和树脂的价格区间
这两种材料的价格在很大程度上取决于它们各自的性能和应用。500克标准黑色树脂起价约为 25 美元,而一升则高达 400 多美元。塑料粉末的价格范围:例如,PA 11 的价格在每公斤 75 到 320 美元之间。当使用塑料粉末打印时,它可以重复使用到一定比例,通常为 50%。

市场上有哪些制造商?
市场上有名的材料制造商是负责生产原材料的化学企业,以及随后使用它们甚至有时甚至与化学集团合作开发它们的 3D 公司。

●就树脂原材料而言,有名的材料制造商包括 Loctite Henkel 、Covestro Additive Manufacturing、BASF 和 Arkema,BASF 和 Arkema与 3D 打印机制造商合作并经常开发自己的材料。zortrax、Formlabs 和 EnvisionTEC 在这些方面做的也很不错。

●对于塑料粉末,比较有名的供应商为Arkema、BASF、Evonik,它们与 HP 、 EOS合作。粉末制造商AM Polymers 或 Fabulous 在市场种也有一席之地。目前有更多的专有树脂,因为一些树脂机器仍然是封闭的,即它们只与制造商自己开发的材料兼容。

树脂和粉末的应用
对于树脂,应用场合一般是需要有一定精度要求的地方。例如,微小的零件,用于娱乐或珠宝等行业的更多彩色组件。树脂在医疗领域也很受欢迎,尤其是在牙科领域,特别是用于制作手术导板、牙冠或植入物

就塑料粉末的可能应用而言,它们可以用于卫生领域。尼龙具有生物相容性,因此非常适合制造假肢,因为它可以与皮肤直接接触。制造业也经常使用这类材料,因为它们用于功能性原型、中小型系列。例如,它可以用来制造齿轮甚至铰链。


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