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用3D打印聚合物代替金屬
閱讀：54 發布時間：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。當前一代的高性能聚合物和復合材料具有與鋁相似的機械性能，但重量僅為鋁的一小部分。此外，使用AON M2+等高溫3D打印機從這些聚合物增材制造零件的能力，通過降低傳統制造方法的復雜貨時間和成本限制，推動了進一步的采用。
在本文中，我們解釋了金屬和聚合物之間的結構差異如何影響其體積特性，并討論了已經在一些的應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，可在不犧牲零件強度或耐熱性的情況下大幅減輕重量
金屬和聚合物的區別是什么？
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。區別如下：
聚合物
3D打印聚合物是熱塑性塑料，由彼此化學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械完整性。鏈還可以組織并折疊成晶體結構，由于更大的分子間相互作用力，晶體結構更難拉開。這就是為什么與無定形聚合物相比，半結晶聚合物在強度和剛度方面更好。
具有結晶和非晶區域的半結晶聚合物微觀結構圖
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的結構。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
金屬微觀結構圖，顯示晶粒由在晶界相遇的單個晶體結構組成。
總之，半結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是化學分離的，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械和熱應用的默認選擇的原因。但隨著我們設計出更*的熱塑性塑料，有效強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進行了比較，鋁6061是一種用于飛機結構，汽車零件，海洋結構和消費品制造的合金。CF PEEK含有10%的碳纖維，可提高基線PEEK的強度和剛度。在這些行業中，金屬替代可以顯著減輕重量，同時保持所需的機械和熱性能。此外，與普通在役金屬相比，這些高溫熱塑性塑料具有優異的耐化學性和耐腐蝕性。
比強度用于評估材料的拉伸強度與其密度的比較。熱塑性塑料的較高比強度允許重量更輕的部件，同時保持與金屬相同的強度特性。
連續使用溫度基于給定的行業標準和制造商技術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，同時保持了高強度和高耐熱性。替代金屬意味著運輸業可以節省更多燃料、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械，熱和化學性能。為了匹配這些特性，所選的3D打印機需要一個精確控制的高溫構建室（132°C），500°C擠出機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度和耐化學性，并且需要進一步退火，其中翹曲是不可避免的。AON M2+是一款大型高溫工業3D打印機，經過優化，使PEEK和ULTEM™ 9085等高性能材料3D打印變得簡單易用。
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