为3D打印选择正确的材料

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• 物质进步
• 材料选择
• 直接金属激光烧结
• 选择性激光烧结
• 有限元
• 决策树

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物质进步

正如预期的那样，3D打印所用的材料一直在改进。这些进步使得该技术从模型和原型转向功能部件，用于测试、车间使用和生产。

虽然3D打印的输出与其他制造工艺不同，但在寻求直接替代品时，它可以提供一个合适的选择。然而，当用户尝试它提供的可能性时，它的优势会增加。

然而，实验有点挑战性，因为3D打印的差异超出了材料属性，但与之相关。例如，添加剂材料缺乏一组丰富的性能数据，这些数据表征了材料在一系列条件下的特性。相反，3D打印用户会看到一个包含有限一组值的单一数据表。例如，基于对原始材料(未回收的粉末)的测试，这些值也可能呈现出最佳情况。

另一个复杂的问题是3D打印会产生各向异性的特性，其中X、Y和Z轴的值不同。各向异性的程度随着每种添加剂技术的不同而不同——例如，直接金属激光烧结是最接近各向同性的——但它应该始终是一个考虑因素。

然而，材料供应商很少发布材料规格，记录从一个轴到另一个轴的性能变化，因为这些规格背后的数据可能因材料、工艺甚至机器类型而有很大差异。

通过设计3D打印过程和调整构建方向，可以克服各向异性或材料性能不足的问题。为了做到这一点，利用过去项目的经验或合格的服务机构的经验来填补由于材料性能数据有限而存在的数据空白。当性能很关键时，也要考虑对添加剂材料进行独立的实验室测试。

虽然成功取决于材料的性质，但它们并不是唯一的考虑因素。每种添加剂材料和制造工艺还将规定最大零件尺寸、尺寸精度、特征分辨率、表面光洁度、生产时间和零件成本等特性。因此，建议选择合适的材料，然后评估其满足与时间、成本和质量相关的期望和要求的能力。

材料选择

一般来说，一种或两种材料特性将添加剂材料区别于所有其他材料。例如，如果寻求聚酰胺(PA) 11的平均抗拉强度，立体光刻光聚合物可能是比选择性激光烧结PA更好的选择。相反，如果需要ABS的热变形温度(HDT)，最好的选择是烧结尼龙。

认识到一些特性会将一种材料与其他材料区分开来，选择3D打印材料的推荐方法是首先定义什么是关键的机械或热性能。然后重新检查材质选择，找到合适的。随着选择的缩小，审查其他剩余的性质，以确定材料将是可接受的项目。

由于3D打印是独一无二的，寻找与铸造、成型或加工材料完美匹配的目标是不明智的。相反，研究材料选择，以找到满足最关键要求的材料。

直接金属激光烧结(DMLS)

DMLS使用纯金属粉末生产的部件，其性能被普遍认为与变形材料相同或更好。因为在一个不断移动的小点上有快速的熔化和凝固，DMLS可能会产生影响机械性能的晶粒尺寸和晶界的差异。表征晶粒结构的研究正在进行中，晶粒结构可以随着激光参数、建造后热处理和热等静压而改变。然而，研究结果并不广泛。最终，这种差异将成为一个优势，当晶粒结构可以被操纵，以提供不同的机械性能的部分。

在这里讨论的三种增材制造工艺中，DMLS生产的部件具有接近各向同性状态的材料特性。但是，沿不同轴线测量时，会有一定的性能方差。有关DMLS材料性能的可视化比较，请参见表1对于抗拉强度，表2为了伸长，和图3硬度。

不锈钢是一种常用的DMLS材料，可从Protolabs的316L中获得，具有出色的延伸率，断裂时提供40%，使其具有非常好的延展性。316L具有耐酸性和耐腐蚀性，在其应力缓解状态下比大多数其他材料更耐温度。

铝(Al)与用于铸造和压铸工艺的3000系列合金相当。其成分为AlSi10Mg。铝具有优良的强度重量比，良好的耐温度和耐腐蚀性能，以及良好的疲劳、蠕变和断裂强度。与压铸的3000系列铝相比，铝的抗拉强度(360 MPa +/- 30MPa)和屈服强度(240 MPa +/- 30MPa)的性能远远超过平均值。然而，与3000系列铝的平均断裂伸长率相比，断裂伸长率(EB)显著降低(6%对11%)。

DMLS钛(Ti6Al4V)由于其强度重量比，温度，最常用于医疗应用
耐酸/耐腐蚀。与Ti级23退火相比，其力学性能基本相同，抗拉强度为930 MPa，断裂伸长率为10%，硬度为33 HBW。

马氏体时效钢以拥有超强的强度和韧性而闻名，同时又不失延展性。它是一类特殊的低碳超高强度钢，其强度不是来自碳，而是来自金属间化合物的沉淀。可固化至37 HRC，耐高温。马氏体时效钢具有均匀的膨胀性和在老化前易于切削的特性，这使得马氏体时效钢在装配线和模具的高磨损部件中非常有用。

铬镍铁合金718(IN718)是一种镍铬高温合金，用于高温应用，如航空发动机部件或燃气轮机部件。DMLS IN718部件的工作温度范围为-252°C至704°C，具有优异的耐腐蚀性和良好的疲劳、蠕变和断裂强度。

铜(CuNi2SiCr)是一种低合金铜材料，具有良好的机械性能和高的导热性和导电性。它通常用于更粗糙的环境中，纯铜是不可行的。

钴铬合金是一种主要由钴和铬组成的高温合金，以其高强度重量比，优异的蠕变和耐腐蚀性而闻名。用CoCr建造的部件符合ASTM F75。

选择性激光烧结(SLS)

SLS使用热塑性粉末，主要是聚酰胺(PA)，制造的功能部件比通过立体光刻(SL)生产的部件具有更大的韧性和更高的冲击强度，以及高HDTs(177°c至188°c)。缺点是SLS缺乏SL所具有的表面光洁度和精细的特征细节。

一般来说，SLS pa与注塑成型pa的平均值相比，具有相似的HDT值，但力学性能值较低。在少数情况下，SLS pa报告了记录各向异性程度的属性。有关SLS矿物性质的可视化比较，请参见图4对于热偏转，图5断裂伸长率和图6抗拉强度。

PA 11黑色在不牺牲抗拉强度(49 MPa)和耐高温(188°c)的情况下，拉伸模量为48 MPa，在XY方向上EB为30%，具有延展性和柔韧性。这些特性使PA 850成为一种受欢迎的通用材料，也是制造有限试验的生活铰链的最佳解决方案。与注射成型pa11的平均值相比，pa11黑色具有更高的HDT(188°c vs 140°c)，具有相似的抗拉强度和刚度。然而，它的EB虽然是所有AM塑料中最高的，但比模压的pa11低60%。区分pa11黑色的另一个因素是其均匀的深黑色。黑色的对比度高，使特征突出，
它可以隐藏污垢、油脂和污垢。由于反射率低，黑色在光学应用中也是可取的。

PA 12白色是一种平衡的，经济的，通用应用的首选材料。pa12白色比pa11黑色更硬(抗拉模量1650 MPa vs 1560 MPa)，具有相似的抗拉强度(48 MPa vs 42 - 48 MPa)。虽然它的EB不到pa11黑色的一半，但在延展性方面，它仍然是表现最好的之一。pa12白色与注射成型的pa12的平均性能大致相当。它具有相似的刚度，但抗拉强度大约是EB的一半。然而，它的HDT明显更高:188°c vs. 138°c。

pa12 40%玻璃填充是一种装有玻璃球的聚酰胺粉末，使其硬度和尺寸稳定。然而，玻璃填料使其变脆，显著降低冲击和拉伸强度。玻璃球也使pa12 40%玻璃填充部件比任何其他AM材料制造的部件重得多。pa12 40%玻璃填充是一个很好的选择，当刚度和耐温要求。

PA 12碳填充是一种无烟煤灰色尼龙，具有极强的硬度和耐高温性，再加上导电性能和重量轻。碳纤维填料根据所考虑的三轴方向提供不同的力学性能。

PA 12 Flex Black是一种黑色/无烟煤尼龙，具有优异的柔韧性和抗冲击性。PA12 Flex黑结合了PA12和PP的优点，强度和刚度与PA12相似，抗拉强度为48MPa。伸长率与未填充PP相当，EB为2-21%，而EB为6-24%

tpu - 88 a是一种热塑性聚氨酯(TPU)，它结合了橡胶般的弹性和伸长率，具有良好的耐磨性和抗冲击性。TPU-88A的EB为450-570%

有限元(SL)

SL使用光敏聚合物，热固性树脂固化的紫外线(UV光)。它提供了最广泛的材料选择，具有大范围的拉伸强度、拉伸和弯曲模量以及EBs。注意，冲击强度和hdt通常比普通注射成型塑料低得多。材料的范围也提供了颜色和不透明度的选择。结合良好的表面光洁度和高特征分辨率，SL可以生产出在性能和外观方面模仿注塑成型的零件。

光聚合物具有吸湿性和紫外线敏感性，随着时间的推移，这可能会改变零件的尺寸和性能。暴露在潮气和紫外线下会改变其外观、尺寸和机械性能。有关SL材料性能的可视化比较，请参见图7用于热偏转表8断裂伸长率和图9抗拉强度。

ABS-Like白(Accura Xtreme White 200)是一种广泛使用的SL材料。在柔韧性和强度方面，它介于聚丙烯和ABS之间，这使得它成为夹紧配合，主模式和要求苛刻的应用的好选择。Xtreme是一种耐用的SL材料;它具有非常高的冲击强度(64 J/ m)和高EB(20%)，而中等强度和
刚度。然而，它的HDT(47°c)是SL材料中最低的。

与注射成型ABS的平均值相比，Xtreme的抗拉强度略高(45 MPa - 50 MPa)，但EB略低(20% vs. 30%)。在弯曲载荷下，Xtreme的刚性降低了26%，冲击强度降低了70%。

ABS-Like Grey (Accura Xtreme Grey)它类似于聚丙烯(PP)/ABS，是一种坚韧耐用的材料。它非常适合于配合，装配和苛刻的应用程序，其特点是它的灰色。

abs样半透明/透明(分水岭)提供低吸湿性(0.35%)和接近无色透明度的独特组合-需要二次操作才能使材料完全透明，并且它还将保留非常浅的蓝色色调aſterward。虽然分水岭适用于通用应用程序和模式制作，但它是流可视化模型、光管和透镜的最佳选择。Watershed的抗拉强度和EB是3d打印的热塑性材料中最高的，这使得它坚韧耐用。与注射成型ABS的平均抗拉强度相比，Watershed的抗拉强度略高(53.6 MPa vs 42 MPa)，但在50°C -> - 54°C时，其EB强度(15.5% vs 30%)和HDT强度略低。

ABS-Like Black (Accura Black 7820)是注塑成型ABS部件的另一种选择。它不仅模仿ABS的机械性能，它的深黑色和光滑的上表面在顶部轮廓提供了一个模压零件的外观，而层线可能是可见的侧面轮廓。它提供了一个大的工作信封的物理性能，高EB(6-13%)和冲击强度适合建筑概念模型，和功能原型部件。

超细绿色/灰色是Protolabs定制的，可提供最高级别的细节- 0.07毫米的特征是可能的-以及任何SL材料的最严格的公差。该材料用于制造微到小的零件，一般小于25 × 25 × 25mm³。在力学性能方面，MicroFine Green/Grey的抗拉强度和模量(分别为60 MPa和2600 MPa)处于SL材料的中档，冲击强度和EB (0.23 J/cm)处于低端
和8%)。MicroFine Green具有与注塑成型ABS类似的刚度和抗拉强度，然而，它的HDT确实低于ABS(59°C vs 102°C)。

PC-Like Advanc HighTemp (Accura 5530)提供一个坚固、坚硬、耐高温的部件。此外，热固化后选项可以将HDT从85°C提高到250°C (0.45 MPa)。5530是所有非填充SL材料中拉伸和弯曲模量最高的材料之一，抗拉强度第二高(61 MPa)。然而，后固化确实降低了5530的耐用性，导致冲击强度仅为21 J/m, EB为2.9%。没有热后固化，5530保持其抗拉强度，变得更灵活。EB增加约50%。当与注塑成型的热塑性塑料相比，10%的玻璃填充聚碳酸酯是最接近的匹配。在热固化后，5530具有相似的抗拉强度和弯曲模量(与平均值相比)，HDT提高66%。然而，5530的冲击强度和EB要低得多(分别低81%和72%)。

陶瓷样(Advanc HighTemp PerFORM)是制造具有优异高耐热性的坚固、坚硬部件的理想材料。额外的热固化后选项可以将HDT从132°C提高到268°C (0.45 MPa)，即所有SLA材料中的最高值。典型的材料使用包括生产工具和风洞测试应用

结论

3D打印横跨金属、热塑性塑料和热固性塑料，提供了许多不同的材料，即使不能取代，也可以模拟那些通过传统手段加工的材料。虽然精确的匹配是不可能的，因为基本过程是不同的，但材料的宽度意味着很有可能满足重要的材料特性。

成功的关键是对差异持开放态度，并认识到差异。在知情的、合格的3D打印资源的支持下，可以填补数据空白，这种心态为利用3D打印技术可以提供的独特优势打开了大门。

来源:matweb.com，ulprospector.com，供应商数据表和protolabs.com。