近年來，塑料的增材制造——尤其是激光燒結(jié)已發(fā)展成為系列生產(chǎn)工藝。數(shù)百萬把睫毛刷和數(shù)萬副眼鏡架的生產(chǎn)就是很好的例子，它們表明即使是大批量產(chǎn)品也可以實現(xiàn)經(jīng)濟高效的高質(zhì)量生產(chǎn)。激光燒結(jié)的一個主要優(yōu)勢是利用該工藝標準的熱塑性材料可以加工成性能接近注塑成型的高質(zhì)量零件。盡管激光燒結(jié)工藝已經(jīng)非常成熟，但材料的選擇仍然有限。

■作為一種機械性能優(yōu)異的耐高溫阻燃材料，PA66為激光燒結(jié)帶來了新的應用可能性，例如：應用在傳感器支架上（來源：空中客車）

目前市場上的主導產(chǎn)品仍然是聚酰胺11（PA11）和聚酰胺11PA12。通過這些聚合物，該工藝已達到了良好的技術(shù)成熟度。但是，它們都不是傳統(tǒng)塑料加工的主要材料。聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等塑料占據(jù)的市場份額明顯更高。即使在聚酰胺產(chǎn)品中，PA6和PA66也比PA11和PA12占據(jù)更高的地位，成為了重要應用中的利基材料。

因此，由于缺乏合適的材料，許多重要的應用領(lǐng)域仍然無法實現(xiàn)增材制造。但是，很多令人關(guān)注的應用領(lǐng)域即將大量應用到增材制造，例如：汽車、航空航天、電子和電氣以及機械工程領(lǐng)域。然而，很多公司對一步到位同時改變材料和制造工藝感到猶豫，因為增加制造工藝需要投入的精力太多，沒有更多的精力同時考慮因為引入新材料帶來的變量了。因此，許多潛在的系列應用仍然封閉，盡管加工數(shù)量和應用領(lǐng)域大體上都適合。

PA11和PA12的替代需求

近年來，這些行業(yè)對此進行了反思。他們對增材制造進行了開發(fā)利用，聲稱在廣泛使用的PA11和PA12方面有了明顯的突破。這一趨勢的焦點是利用該領(lǐng)域常用的材料進行增材制造。因此，人們對增材工藝需要更多原料的呼聲越來越高。

但是，用于激光燒結(jié)或粉末床熔融的材料的開發(fā)通常非常復雜。用料要求和制造部件的要求都基于注塑成型的參考材料。然而，這兩種工藝在所需材料的特性方面有著根本的不同，甚至與這些要求相反。

注塑成型需要快速凝固和短結(jié)晶時間，而這會使激光燒結(jié)加工復雜化。此外，熔融和結(jié)晶之間需要一個較寬的加工窗口，而這只有少數(shù)半結(jié)晶材料能夠提供。其他難題還包括缺乏輔助成型的工藝壓力以及難以生產(chǎn)具有良好流動性和合適粒度分布的粉末。這些要求不論過去還是現(xiàn)在，都導致許多材料加工性能或零件性能不佳。用戶體驗差往往導致他們拒絕使用PA11和PA12的替代粉末材料，最終阻礙必要的市場流通。

增材制造的傳統(tǒng)塑料

AM Polymers公司專門解決了這個問題——通過注塑成型開發(fā)了標準的熱塑性塑料和工程塑料用于激光燒結(jié)，專注于即插即用的解決方案。在過去數(shù)年里，他們推出了許多基于熱塑性聚氨酯（TPU）、PE、PP、PBT和PA6的粉末材料，品牌名為Rolaserit。它們的特點是部件性能可與注塑成型相媲美，并且具有良好的加工性能、高斷裂伸長率和良好的批次穩(wěn)定性。該公司特別注重通過廣泛的加工技術(shù)支持將磨合期縮短至數(shù)天，方便客戶快速開始零件生產(chǎn)。

用于激光燒結(jié)的PA66

Rolaserit PA66-01是AM Polymers首次推出用于激光燒結(jié)工藝的PA66粉末材料。與其他聚合物相比，PA66的主要特點在于高熱變形溫度和耐老化性。此外，這種材料還具有高硬度和高剛度以及良好的耐磨性。憑借這些特性，該材料特別適用于電子以及機械工程、汽車和設(shè)備制造領(lǐng)域需要承受高機械應力和熱應力的模制部件。由PA66制成的典型部件包括線圈體、滑動軸承、齒輪、聯(lián)軸器零件以及覆蓋物和外殼部件。

該材料是德國聯(lián)邦教育及研究部（BMBF）通過項目管理組織（Projekttr?ger Jülich）資助的Flatisa聯(lián)合項目的一部分。該項目是與空中客車（Airbus）和西門子（Siemens）聯(lián)合開發(fā)的Promat_3D計劃的一部分（資助編號：03XP0099F）。它已經(jīng)在上述兩家公司經(jīng)過成功測試，可用于航空航天和電子行業(yè)試件的生產(chǎn)（標題圖和圖1）。

■圖1：通過激光燒結(jié)生產(chǎn)的PA66電子元件的功能試件：該材料在許多領(lǐng)域都可以替代PA11和PA12（來源：西門子）

該材料具有PA66典型部件的特性，干燥狀態(tài)下的彈性模量為3100MPa，強度為75MPa，斷裂伸長率高達15%。此外，該材料的防火等級達到了UL94 V2。作為商業(yè)化步驟的第一步，該材料將作為在AM Polymers設(shè)備上生產(chǎn)的零件出現(xiàn)在用戶市場上。該材料在激光燒結(jié)系統(tǒng)（型號：ST252P，制造商：Farsoon Europe）上表現(xiàn)出了優(yōu)異的可加工性，并且因為具有良好的延性，還可用于生產(chǎn)小零件。由于熔融溫度高，它需要用合適的機器和足夠高的加工溫度進行加工。但是，這種機器并不常見。不過，各種機器制造商提供的適用機器產(chǎn)品正在穩(wěn)步增加。因此，可以預見，未來PA66將與其他用于激光燒結(jié)的材料一樣在市場上隨處可見。

可在標準機器上加工的PBT

為了進一步開發(fā)新產(chǎn)品，AM Polymers 和三菱化學（Mitsubishi Chemical）聯(lián)合開發(fā)了用于激光燒結(jié)的各種PBT牌號。PBT作為聚合物的主要特點在于良好的抗滑動磨損性能、不受濕度影響的良好的電絕緣性能以及高尺寸穩(wěn)定性。其典型應用包括滑動軸承、閥門模壓件、滾子、泵殼、葉輪、聯(lián)軸器以及電氣行業(yè)中的線圈體、夾具和連接器塊等。

PBT的典型熔融溫度為223°C，因此激光燒結(jié)通常需要200°C以上的粉末床溫度。此外，產(chǎn)品名稱為Rolaserit PBT01的材料可以在所有標準的激光燒結(jié)機上進行加工。例如，該材料已經(jīng)在Farsoon Europe公司的ST252P系統(tǒng)、3D-Systems公司的Vanguard HS和EOS公司的EOS P360系統(tǒng)上成功進行了加工。因此，它在各種應用的機器技術(shù)方面沒有任何限制。

與PA12相比，該材料的主要特點是在強度48MPa時具有更高的剛度2650MPa，以及較低的吸濕性和不受濕度影響的材料特性。激光燒結(jié)可獲得高達15%的斷裂伸長率，與PA12大致相同。即使沒有經(jīng)過后處理，該材料也具有非常光滑的高質(zhì)量表面，而且它的表面質(zhì)量還可以通過蒸汽平滑化學后處理進一步改善（圖2）。該材料還具有優(yōu)異的電絕緣性能。其表面電阻為5 · 1016Ωm，體積電阻為3 · 1015Ω，比PBT制成的傳統(tǒng)注塑材料具有更高的效能。這些特性使該材料極其適用于電氣和電子部件，如特殊連接器的應用所示（圖3）。因為具有高構(gòu)件延性，它還可用于生產(chǎn)合理質(zhì)量的小零件和卡扣式連接器。這些都已通過應用和功能測試得到了證實。

■圖2：通過激光燒結(jié)生產(chǎn)的PBT部件在打印后具有非常光滑的表面（左）。蒸汽平滑處理還可進一步提高表面質(zhì)量（右）（來源：AM Technologies）

■圖3：帶接頭和薄連接器元件的PBT激光燒結(jié)特殊連接器：因為具有電絕緣特性，所用的PBT極其適合此類部件（來源：AM Polymers） 

含填充材料的PBT牌號

在基礎(chǔ)牌號的基礎(chǔ)上還有更多填充版本被開發(fā)了出來，再次擴展了PBT在激光燒結(jié)領(lǐng)域的應用范圍。首先考慮的是玻璃纖維和碳纖維填充牌號。纖維填充PBT基材料首次被成功引入激光燒結(jié)領(lǐng)域。纖維填充顯著改善了材料的性能。其剛度可提高至5500-6000MPa，強度可達60MPa，耐溫性可提高到180°C。盡管使用了纖維，通過適當?shù)牟牧现苽淙钥煞乐辜庸ば袨榈膼夯Ｒ虼?，盡管使用了纖維填料，仍能獲得良好的粉末鋪展性。

結(jié)語與展望

增材制造——尤其是激光燒結(jié)等粉末床融合工藝日漸成為了重要的批量生產(chǎn)技術(shù)。但是，在許多情況下，批量生產(chǎn)都需要合適的材料，而這些材料已在相關(guān)應用中被用于注塑成型。但是，它們通常只能在有限的范圍內(nèi)被用于增材制造。AM Polymers目前正在解決這一問題，努力使具有特定應用特性的傳統(tǒng)注塑材料可用于激光燒結(jié)。未來，他們將為激光燒結(jié)創(chuàng)造出一系列類似的材料。